DE3706280C2

DE3706280C2 -

Info

Publication number: DE3706280C2
Application number: DE3706280A
Authority: DE
Inventors: Yukio Kawasaki Kanagawa Jp Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-02-26
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1989-11-30
Also published as: JPH0749976B2; US4748857A; JPS62197714A; DE3706280A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit Ultraschallwellen arbeitende Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Rohr strömenden Fluides, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 34 38 976 A1 bekannt.

Der bekannte Ultraschall-Strömungsmesser enthält wenigstens ein Paar Ultraschallwandler, die in der Lage sind, Ultraschallwellen in ein Fluid auszusenden und daraus zu empfangen. Die Wandler arbeiten alternierend als sendender Wandler und als empfangender Wandler. Eine Ultraschallwelle wird alternierend von einem stromaufwärts gelegenen Wandler ausgesendet und von einem stromabwärts gelegenen Wandler empfangen bzw. von dem stromabwärts gelegenen Wandler ausgesendet und dem stromaufwärts gelegenen Wandler empfangen. Die erste Betriebsart wird nachfolgend mit "Vorwärtsrichtung", die zweitgenannte Betriebsart mit "Rückwärtsrichtung" bezeichnet. Die mit "stromaufwärts" und "stromabwärts" bezeichneten Positionen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des zu messenden Fluides. Die Wellenausbreitungszeiten werden gemessen, und entsprechend der so gemessenen Ausbreitungszeiten wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides bestimmt. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind auch in der JP-OS 1 49 670/1979, 14 171/1984 und 14 172/1984 beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Theorie des Meßprinzips eines Ultraschallmeßgerätes. In Fig. 2 sind Ultraschallwandler 12 a und 12 b und Keilelemente 13 a und 13 b an oder nahe einem Rohr 11 angebracht, durch das ein Fluid 14 strömt.

Die Gesamtlaufzeit einer Ultraschallwelle zwischen den Wandlern, die in Vorwärtsrichtung ausgesendet wird, sei mit T₁ bezeichnet, und die Gesamtlaufzeit einer Ultraschallwelle, die in Rückwärtsrichtung ausgesendet wird, sei mit T₂ bezeichnet. Diese Gesamtlaufzeiten enthalten die Laufzeiten t₁ und t₂ der Ultraschallwelle im Fluid und die Laufzeiten τ₂ und τ₁ jeweils in den Keilelementen 13 a und 13 b und den Rohrwänden 11 und können durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden, wobei 2 · (τ₁+τ₂)=τ (siehe Fig. 2):

T₁ = t₁ + τ (1)

T₂ = t₂ + τ (2)

Die Laufzeiten t₁ und t₂ im Fluid können durch die Gleichungen (3) und (4) wie folgt dargestellt werden:

wobei C die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ist, V die Strömungsgeschwindigkeit ist, D der Innendurchmesser des Rohres 11 ist und R der Ultraschallausbreitungswinkel ist.

Aus den Gleichungen (3) und (4) kann man die Zeitdifferenz Δ T (=T₂-T₁) wie folgt erhalten:

Δ T = T₂ - T₁

wobei C ²»V ² sin² R ist.

Die Zeitdifferenz Δ T ist also proportional der Strömungsgeschwindigkeit V.

Die Gleichung (5) enthält die Schallgeschwindigkeit C in dem Fluid. Die Schallgeschwindigkeit C hängt von den Komponenten oder der Temperatur des Fluides ab. Die Strömungskoeffizienten enthalten daher vorzugsweise nicht die Schallgeschwindigkeit C. C kann wie folgt eliminiert werden:

Wenn die Ultraschall-Gesamtlaufzeit bei ruhendem Fluid mit T₀ angegeben ist, dann ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2):

T₀ = T₁ = T₂

Die Gleichung (6) läßt sich wie folgt umwandeln:

Setzt man die Gleichung (7) in die Gleichung (5) ein, ergibt sich

Die Strömungsrate Q läßt sich durch die folgende Gleichung darstellen:

Q = (Querschnittsfläche) × (durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit) .

Daher erhält man aus der Gleichung (5) die folgende Gleichung (9):

wobei K eine Konstante ist.

Wenn sich das Fluid im Ruhezustand befindet, dann wird die Ultraschall-Gesamtlaufzeit durch T₀ dargestellt, wie oben beschrieben. Wenn das Fluid jedoch strömt, dann läßt sich die Ultraschall-Gesamtlaufzeit durch die Gleichung (10) wie folgt annähern:

T₀ = (T₁ + T₂)/2 . (10)

Dies entspricht der mittleren Gesamtlaufzeit.

Eine Ultraschallwelle wird gebrochen, wenn sie von einem Medium in ein anderes übertritt, das eine andere Schallausbreitungsgeschwindigkeit aufweist. Wenn die Montagewinkel der Ultraschallwandler 12 a und 12 b mit R₁ angegeben werden, dann läßt sich für die Distanz (Montageabmessungen) L zwischen den Wandlern, den Winkeln R und R₂, den Abmessungen D, D₁ und L₁ und den Geschwindigkeiten C₁ und C₂, wie in Fig. 2 angegeben, der folgende Zusammenhang angeben:

R, R₂ und L können durch die Gleichungen (11), (12) und (13) wie folgt dargestellt werden:

R = sin^-1 (C/C₁ sin R₁) (11)

R₂ = sin^-1 (C₂/C₁ sin R₁) (12)

L = 2D₁ tan R₂ + D tan R (13)

Wenn daher der Innendurchmesser D des Rohres, der Ultraschallausbreitungswinkel R und die Laufzeit τ gegeben sind, dann läßt sich die Strömungsrate aus der Gleichung (9) durch Messen der Ultraschall-Gesamtlaufzeiten T₁ und T₂ erhalten. In diesem Fall wird in Abhängigkeit von dem zu messenden Objekt der Rohrinnendurchmesser D bestimmt, und die Laufzeit t kann durch die folgende Gleichung mit den in Fig. 2 dargestellten Daten ausgedrückt werden:

Die Laufzeit τ kann man daher als eine Konstante erhalten, wenn die Materialien des Rohres und der Keile bestimmt sind. Aus der Gleichung (11) geht hervor, daß R eine Funktion der Schallgeschwindigkeit C ist und daher einen gewissen Wert haben sollte.

Das Ultraschallmeßgerät, das auf dem oben beschriebenen Prinzip basiert, kann die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrate eines Fluides in einem Rohr messen, an welchem die Wandler montiert sind. Wenn daher ein tragbares Ultraschallmeßgerät entsprechend den obigen Prinzipien aufgebaut ist, dann kann es zur Messung von Strömungsraten von Fluiden in Rohrleitungen verwendet werden.

Wie oben beschrieben, wird ein Ultraschallwellensignal dem Rohr von außen zugeführt, pflanzt sich in dem Rohr fort und wird von dem anderen Wandler empfangen. Bei dieser Betriebsweise wird bekanntlich die Ultraschallwelle gebrochen, wenn sie von einem Medium in ein anderes übertritt, das hinsichtlich der in ihm herrschenden Schallausbreitungsgeschwindigkeit von dem ersten Medium abweicht, und der Winkel zwischen der Strömungsrichtung des Fluides und der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle, d. h. der Ultraschallausbreitungswinkel R₁ beeinträchtigt die Meßgenauigkeit der Strömungsgeschwindigkeit oder Strömungsrate. Der Winkel R beeinflußt weiterhin die Distanz L, die durch die Gleichung (13) dargestellt wird. Um die Meßgenauigkeit zu verbessern und die empfangene Welle mit Genauigkeit aufzunehmen, ist es daher wichtig, daß die Schallgeschwindigkeit C mit hoher Genauigkeit bestimmt wird.

Die Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle in einem Fluid ist, wie oben erwähnt, von der Art des Fluides, dem Mischungsverhältnis der Bestandteile in dem Fluid, der Temperatur und dem Druck des Fluides abhängig. Es ist daher schwierig, die Wellengeschwindigkeit im voraus zu ermitteln. Die Meßgenauigkeit ist daher vermindert, oder die Fluidarten, die genau gemessen werden können, sind der Zahl nach beschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallmeßgerät anzugeben, das die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrate eines Fluides frei von den Beschränkungen bekannter Verfahren und Vorrichtungen genau ermitteln kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät wird demnach eine Schallgeschwindigkeit aus den Gesamtlaufzeiten und den Montageabmessungen errechnet. Die angenommene Schallgeschwindigkeit wird dann mit der berechneten Schallgeschwindigkeit verglichen, und wenn der Vergleich einen größeren als einen vorbestimmten Wert ergibt, dann wird die angenommene Schallgeschwindigkeit nachgestellt und der Vorgang wiederholt.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Ultraschallmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2 ein Diagramm, das das Meßprinzip in dem Ultraschallmeßgerät nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

In dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung wird ein Wert für eine Schallgeschwindigkeit angenommen, Daten, die für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung oder die Strömungsratenmessung notwendig sind, werden errechnet, um die herrschende Schallgeschwindigkeit zu erhalten, und wenn die so errechnete Schallgeschwindigkeit um eine vorbestimmte Größe oder mehr von dem angenommenen Schallgeschwindigkeitswert abweicht, dann wird eine richtige Montageposition für die Ultraschallwandler angegeben.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das die Anordnung einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wenigstens ein Paar Ultraschallwandler 12 a und 12 b, die beispielsweise aus Bleizirkontitanat bestehen, ist an der Außenseite des Rohrs 11 angebracht, durch das das zu messende Fluid strömt. Jeder der Wandler 12 a und 12 b ist in der Lage, ein elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal umzuwandeln und umgekehrt. In einer Betriebsart dient der Wandler 12 a als Sendewandler, während der Wandler 12 b als Empfangswandler arbeitet. In einer anderen Betriebsart dient der Wandler 12 a als Empfangswandler, während der Wandler 12 b als Sendewandler arbeitet.

Eine Sende- und Empfangseinheit 2 dient dazu, Ultraschallwellen auszusenden und zu empfangen. Sie übermittelt ein Signal, das eine empfangene Welle anzeigt, an einen Wellenmonitor 3. Der Wellenmonitor 3 setzt und lädt Verstärkungsfaktor und Einstellwerte für den Signalempfang und stellt die Sende- und Empfangswellenbalance so ein, daß der Empfang der Ultraschallwelle unter optimalen Bedingungen abläuft.

Die Laufzeitenmeßeinheit 4 mißt die Gesamtlaufzeiten T₁ und T₂ in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung aus der Zeitdifferenz zwischen der Aussendung einer Ultraschallwelle und dem Empfang der Ultraschallwelle. Eine Mittelungseinheit 7 berechnet die mittlere Gesamtlaufzeit T₀, vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung (10). Die Strömungsratenberechnungseinheit 6 berechnet die Strömungsrate vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung (9) aus den Ultraschall-Gesamtlaufzeiten T₁ und T₂, die von der Zeitmeßeinheit 4 zur Verfügung gestellt werden, und der mittleren Gesamtlaufzeit T₀, die von der Mittelungseinheit 7 abgegeben wird.

Die Schallgeschwindigkeitsberechnungseinheit 8 berechnet die herrschende Schallgeschwindigkeit C, vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung (7). Die Montageabmessungsberechnungseinheit 9 berechnet die Distanz L zwischen den Wandlern (die Montageabmessungen), die vorzugsweise durch die Gleichung (13) repräsentiert wird. Die Einstelleinheit 21 gibt Meßbedingungen, beispielsweise Rohrspezifikationsdaten und eine angenommene Schallgeschwindigkeit, ein. Die Anzeigeeinheit 22 zeigt die Montageabmessungen oder Meßwerte an. Die Hauptberechnungseinheit 10 berechnet Daten, soweit sie nicht durch die verschiedenen Einheiten 6 bis 9 berechnet werden, die für die Strömungsmessung benötigt werden. Beispielsweise werden R aus der Gleichung (11), R₂ aus der Gleichung (12) und die Laufzeit τ durch die Hauptberechnungseinheit 10 berechnet. Die Steuereinheit 5 steuert die Signalsende- und Empfangseinheit 2, den Wellenmonitor 3, die Ausbreitungszeitmeßeinheit 4, die Strömungsratenberechnungseinheit 6 und die Hauptberechnungseinheit 10.

Das Ultraschallmeßgerät des oben beschriebenen Aufbaus arbeitet wie folgt:

(a) Eine geeignete Schallgeschwindigkeit Cc wird angenommen und unter Verwendung der Einstelleinheit 21 eingegeben (die Schallgeschwindigkeit in einem Fluid liegt in der Größenordnung zwischen 1000 und 2000 m/s. Daher wird eine Zahl in diesem allgemeinen Bereich ausgewählt).
(b) Die Gleichungen (7) und (13) werden unter Verwendung der so eingegebenen Schallgeschwindigkeit Cc berechnet, und die Wandlermontageabmessung L wird angezeigt. Außerdem werden die Daten, die für die Zeitmessung notwendig sind, eingegeben.
(c) Wenn die Sensoren in der so dargestellten Montageabmessung montiert sind, dann kann, selbst wenn der angenommene Schallgeschwindigkeitswert von dem herrschenden, gemessenen Wert abweicht, der empfangende Wandler noch immer in der Lage sein, die Ultraschallwelle zu empfangen, weil sich der Ultraschallstrahl in einem gewissen Bereich ausbreitet. Wenn die ausgesendete Ultraschallwelle empfangen wird, erhält man die mittlere Gesamtlaufzeit T₀ daher wie folgt: Wenn der Empfangssensor die Ultraschallwelle nicht aufnimmt, dann wird eine Anzeige hierfür zur Darstellung gebracht, der eingestellte Wert der Schallgeschwindigkeit wird verändert, und der im Absatz (a) beschriebene Vorgang wird wiederholt.
(d) Ein vorbestimmter Wert τ wird von der mittleren Gesamtlaufzeit T₀ abgezogen, und die Schallgeschwindigkeit C wird aus der folgenden Gleichung erhalten:
(e) Wenn die erhaltene Schallgeschwindigkeit C von der eingestellten Schallgeschwindigkeit Cc um einen vorbestimmten Wert α oder mehr abweicht, oder wenn es notwendig ist, werden die Wandlermontageabmessung und die Daten, die für die Messung notwendig sind, berechnet und dargestellt, wobei die erhaltene augenblickliche Schallgeschwindigkeit C verwendet wird, und die Zeitmeßeinheit wird rückgesetzt. Hierbei wird der Umfang der Nachstellung auf die angenommene Schallgeschwindigkeit beispielsweise durch C/Cc repräsentiert. C/Cc wird mit dem vorbestimmten Wert α verglichen, um den Umfang der Verschiebung zu bewerten.
(f) Die Wandlermontagepositionen werden entsprechend der angezeigten Wandlerabmessung verändert, so daß die Strömungsmessung sehr genau wird.

Wenn bei dem oben beschriebenen Verfahren die berechnete Schallgeschwindigkeit C von der voreingestellten Schallgeschwindigkeit Cc um den vorbestimmten Wert oder mehr abweicht, dann werden die Montagepositionen der Wandler verändert. Alternativ kann das folgende Verfahren verwendet werden. Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist R₁ konstant. Bei dem folgenden Verfahren wird ein Wert für R₁ angenommen, der den voreingestellten Wert von L ergibt. Sodann wird R₁ unter Verwendung der Gleichung (12) gemessen, und R₁ wird als der angenommene Wert eingegeben, um die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrate zu korrigieren. Dieses alternative Verfahren wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Wert C/Cc kleiner als der vorbestimmte Wert α ist. Wenn C/Cc größer als der vorbestimmte Wert α ist, dann sollten die Sensormontageabmessungen eingestellt werden, um die Ultraschallwelle unter optimalen Bedingungen zu empfangen. In diesem Falle kann die Stärke der von der Sendeempfangseinheit in Fig. 1 empfangenen Ultraschallwelle als Entscheidungsindex verwendet werden. Wenn beispielsweise der Wert C/Cc kleiner als der vorbestimmte Wert α ist und eine Ultraschallwelle niedriger Stärke empfangen wird, dann kann das Verfahren, bei welchem die Korrektur unter Verwendung der Daten R₁ als Variable verwendet wird, ausgeführt werden. Wenn andererseits der Wert C/Cc größer als der vorbestimmte Wert α ist oder eine Ultraschallwelle geringer Stärke empfangen wird, dann kann das Verfahren, bei welchem die Montageabmessung verändert wird, verwendet werden. In dieser Beziehung kann aus der Verstärkung (beeinflußt durch den Empfangsmonitor 3) des Verstärkers in der Signalsendeempfangseinheit 2 ermittelt werden, ob die Stärke der empfangenen Ultraschallwelle groß oder klein ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines in einem Rohr strömenden Fluides, enthaltend zwei elektroakustische Ultraschallwandler, die im Abstand längs des Rohres angeordnet sind und von denen der eine als Sendewandler und der andere als Empfangswandler betrieben ist, wobei diese Funktionen zyklisch vertauscht werden, eine Laufzeitmeßeinheit, die die Ultraschallgesamtlaufzeit zwischen dem Sendewandler und dem Empfangswandler in beiden Funktionsarten der Wandler mißt, eine Recheneinheit, die die von der Laufzeitmeßeinheit gemessenen Gesamtlaufzeiten entgegennimmt und daraus unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, in der Rohrwand und in den Montageeinrichtungen der Ultraschallwandler die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides berechnet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Eingabeeinrichtung (21), mit der eine angenommene Schallgeschwindigkeit in dem Fluid eingebbar ist,
die Recheneinheit (6) berechnet die Strömungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der angenommenen Schallgeschwindigkeit,
eine Montageabmessungsrecheneinheit (9), die optimale Montageabmessungen unter Verwendung von Vorgabedaten hinsichtlich Rohrabmessung und angenommener Schallgeschwindigkeit berechnet,
eine Schallgeschwindigkeitsrecheneinheit (8), die die augenblickliche Ultraschallgeschwindigkeit unter Verwendung der Laufzeiten und der Montageabmessungen berechnet,
eine Vergleichseinheit, die die angenommene Schallgeschwindigkeit mit der berechneten Schallgeschwindigkeit vergleicht, die angenommene Schallgeschwindigkeit nachstellt und die Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit der nachgestellten Schallgeschwindigkeit wiederholt, wenn das Vergleichsergebnis größer als ein vorbestimmter Wert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeitsrecheneinheit (8) die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung einer Differenz zwischen den in beiden Wandlerfunktionsarten gemessenen Ultraschallgesamtlaufzeiten und unter Verwendung des Mittelwerts derselben berechnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinheit (22) enthält, die optimale Montageabmessungen anzeigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang der Nachstellung der angenommenen Schallgeschwindigkeit durch Teilen der berechneten Schallgeschwindigkeit durch die angenommene Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.

5. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in einem Rohr unter Verwendung von Ultraschallwellen, die abwechselnd in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung durch das Fluid gesendet werden, wobei die Laufzeiten der Ultraschallwellen in beiden Fortpflanzungsrichtungen gemessen und unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid die Strömungsgeschwindigkeit errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Ultraschallwellen in dem Fluid abgeschätzt wird, die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem Fluid gemessen wird, die abgeschätzte Schallausbreitungsgeschwindigkeit mit der gemessenen Schallausbreitungsgeschwindigkeit verglichen wird und die abgeschätzte Schallausbreitungsgeschwindigkeit neu eingestellt wird, wenn die Differenz zwischen abgeschätzter und gemessener Schallausbreitungsgeschwindigkeit größer als ein vorbestimmter Wert ist, und daß die vorgenannten Schritte so oft wiederholt werden, bis die Differenz zwischen der abgeschätzten Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der gemessenen Schallausbreitungsgeschwindigkeit kleiner als der vorbestimmte Wert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagepositionen der Ultraschallwandler am Rohr neu eingestellt werden, wenn die gemessene Schallgeschwindigkeit von der abgeschätzten Schallgeschwindigkeit um mehr als einen vorbestimmten Wert abweicht.