DE3911408C2 - Meßrohr für Ultraschall-Durchflußmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßrohr für Ultraschall-Durchfluß­ messungen nach dem Laufzeitverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung dieser Art ist aus der EP-0 303 255 A1 bekannt. Dabei sind an einem von einem flüssigen Medium durchströmten Meßrohr zwei in Strömungsrichtung des Mediums versetzt angeordnete, als kombinierte Sende- und Empfangswand­ ler ausgebildete Ultraschallwandler befestigt, die alternierend als Sende- und Empfangswandler arbeiten. Dabei gelangt der Ultraschallstrahl des sendenden Ultraschallwandlers durch Re­ flexionen an der Meßrohr-Innenwand zum empfangenden Ultraschall­ wandler. Die Durchflußgeschwindigkeit des im Meßrohr strömenden Mediums wird dabei im Prinzip in der Weise ermittelt, daß die Laufzeitunterschiede der Ultraschallwellen in Strömungsrichtung des Mediums und entgegengesetzt dazu gemessen werden. Die Dif­ ferenz der Laufzeiten ist ein Maß für die Durchflußgeschwindig­ keit des Mediums im Meßrohr. Bei diesem Meßprinzip entstehen Schwierigkeiten daraus, daß eine als Reflektor wirkende Fläche des Meßrohres in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel des Ultraschall­ strahls diesen nicht vollständig reflektiert. Ein nicht zu ver­ nachlässigender Anteil der Ultraschallwelle dringt gemäß dem Brechungsgesetz in die Wandung des Meßrohres ein und pflanzt sich dort durch Reflexionen an der Außen- und Innenwand fort. Dabei treten an den Reflexionspunkten durch Brechung bestimmte, vom Verhältnis der den angrenzenden Materialien eigenen Fort­ pflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen abhängige Teile unter bestimmten Winkeln in das angrenzende Medium über. Dabei ist der nach außen in die umgebende Luft austretende Anteil wegen der hohen Differenz der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten im Wandmaterial des Meßrohres und der dieses umgebenden Luft sehr gering, während der durch erneute Brechung nach innen in das Medium wiedereintretende Anteil der Ultraschallstrahlen aufgrund der verhältnismäßig geringen Differenz der Ultraschall­ geschwindigkeiten des Wandmateriales des Meßrohres und des flüssigen Mediums bedeutend höher liegt. Ein Teil dieser in das Medium zurückgebrochenen Strahlen gelangt an den empfangenden Ultraschallwandler und erreicht Werte, die oberhalb der Meßge­ nauigkeit des Systems liegen und damit im empfangenden Ultra­ schallwandler als störendes Signal in Erscheinung treten.

Wegen der durch die Innenwand-Reflexion entstehenden Laufzeit­ unterschiede zwischen den direkten und den gebrochenen Strahlen tritt eine Meßwertverfälschung auf, die die Meßgenauigkeit des Systems beeinträchtigt. Wegen des geringen, nach außen treten­ den Anteils der in der Meßrohrwandung vagabundierenden Ultra­ schallstrahlen läuft die Ultraschallwelle in der Meßrohrwand solange weiter, bis ihre Energie durch fortlaufende Brechung zurück ins Medium aufgebraucht ist. Dabei entstehen Wellenzüge unterschiedlichster Laufzeit, die das empfangene Meßsignal verfälschen.

Ein Teil dieser unerwünschten, gegenüber den Primärstrahlen laufzeitverzögerten Sekundärstrahlen kann durch ein sogenanntes Zeitfenster, welches über das Empfangssignal gelegt wird, von der Auswertung ausgeschlossen werden. Wegen der relativ geringen Wandstärke des Meßwandrohres beträgt die Lauf­ zeitverzögerung aber nur wenige µs und ist damit so kurz, daß eine wirksame Eliminierung der Sekundärstrahlen auf diese Weise nicht oder nur unzulänglich gelingt.

Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung der Meßgenauigkeit besteht darin, nur die Reflektoren aus Metall und die umgebende Meßrohr-Wandung aus absorbierendem Kunststoff auszuführen. Aber auch durch diese Maßnahme kann nicht verhindert werden (DE 35 39 948 A1), daß ein gewisser Anteil der ausgesendeten Ultraschallwellen in die Wand des Meßrohres eindringt und von dort in Form von Sekundärstrah­ lung in das Medium überwechselt und gegenüber dem Primärstrahl verzögert an den empfangenden Ultraschallwandler gelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbreitung der in die Wandung des Meßrohres eingedrungenen Ultraschallstrahlen derart zu behindern, daß nur noch ein unwesentlicher Bruchteil in das Medium zurücktreten kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Dadurch ist erreicht, daß die durch Brechung aus dem Medium in die Meßrohrwand eindringenden Ultraschall­ strahlen an der Außenwand des Meßrohres zumindest in erheblichem Umfang entgegen der Auftreffrichtung parallel versetzt reflek­ tiert werden und daher nicht an den empfangenden Ultraschall­ wandler gelangen können.

In den Unteransprüchen sind besonders wirkungsvolle Ausführungs­ formen der Querschnittsfläche des Außenprofils des Meßrohres angegeben.

Die der Erfindung zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge sind anhand eines Ausführungsbeispiels im folgenden näher er­ läutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Meßrohr mit den beiden Ultraschallwandlern und dem typischen Ausbreitungsver­ lauf der Ultraschallstrahlung;

Fig. 2 den Querschnitt eines erfindungsgemäß gestalteten Meß­ rohres; und

Fig. 3 und 4 die Ausbreitungscharakteristik von in die Meßrohr- Wandung eingedrungenen Ultraschallstrahlen bei einem Meßrohr nach Fig. 2.

In der oberen Wand 1a eines Meßrohres 1 mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt, welches von einem flüssigen Medium in Richtung der Pfeile 2 durchflossen wird, sind die beiden Ultraschall-Meßwandler 3, 4 in Strömungsrichtung des Mediums versetzt, eingelassen. Die den Austrittsflächen der Ultraschallwandler 3, 4 gegenüberliegenden Innenflächen 5, 6 der Unterseite 16 des Meßrohres sind dabei gegeneinander um solche Winkelbeträge geneigt, daß die senkrecht aus einem der Ultraschallwandler austretenden Ultraschallstrahlen P gegen die jeweils gegenüberliegende Innenfläche 5, von dort gegen die Unterseite der oberen Wand 1a des Meßrohres, von dieser zurück auf die andere geneigte Fläche 6 der Unterseite 1b des Meß­ rohres und schließlich zum zweiten Ultraschallwandler 4 hin reflektiert werden. Die Ultraschallwandler 3, 4 sind dabei mit nicht dargestellten Mitteln so gesteuert, daß sie alternierend vom Sende- auf den Empfangsbetrieb umschalten. Entsprechend werden die Ultraschallstrahlen einmal in Richtung der Strömung des Mediums gemäß den Pfeilen 2 und dann entgegengesetzt dazu durch dieses Medium geleitet. Die daraus resultierenden Lauf­ zeitunterschiede der Ultraschallstrahlen zwischen dem jeweils sendenden und dem empfangenden Ultraschallwandler werden mit bekannten Mitteln gemessen und ausgewertet. Diese Meßverfahren sind bekannt und beispielsweise in der DE 28 28 937 A1 be­ schrieben.

Es sei nun angenommen, daß der Ultraschallwandler 3 als Ultra­ schallsender und der Ultraschallwandler 4 als Ultraschall­ empfänger arbeiten. Dabei sendet der Ultraschallwandler 3 Ul­ traschallwellen aus, von denen der Zentralstrahl als Primär­ strahl P₁ dargestellt ist. Dieser trifft in einem Eintritts­ winkel von a₁ auf die Reflexionsfläche 5 auf und wird im glei­ chen Austrittswinkel als Primärstrahl P₂ gegen die gegenüber­ liegende Innenwand der Oberseite 1a des Meßrohres in einem Eintrittswinkel a₂ und von dort als Primärstrahl P₃ im gleichen Austrittswinkel a₂ auf die Reflexionsfläche 6 gelenkt, trifft dort wiederum im Eintrittswinkel a₁ auf und wird als Primär­ strahl P₄ im gleichen Austrittswinkel a₁ gegen die Eintritts­ fläche des empfangenden Ultraschallwandlers 4 reflektiert.

Nun werden aber, wie bereits ausgeführt, die auf die Reflexions­ flächen auftreffenden Ultraschallstrahlen P₁, P₂, P₃ nicht voll­ ständig reflektiert, sondern zu einem bestimmten Bruchteil auch gebrochen und zwar in Richtung auf die jeweils gegenüberlie­ gende Außenwand des Meßrohres. Dabei hängt der Brechungswinkel vom Verhältnis der Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den angrenzenden Medien ab. Es sei angenommen, daß der Strahl P₁ zu einem bestimmten Bruchteil unter dem Winkel b₁ in die Meßrohrwand 1b hinein gebrochen wird, so daß dieser gebrochene Strahl B₁ unter einem Winkel von b₁ auf die Außenfläche der Meßrohrwand 1b auftrifft. Er wird dort zu einem erheblichen Teil unter dem Winkel b₁ in Richtung auf die Innenfläche der unteren Meßrohrwand 1b reflektiert. Dieser reflektierte Strahl B₂ wird dort geteilt, in der Weise, daß er etwa zu gleichen Teilen in Richtung auf die Außenfläche der unteren Meßrohrwand 1b reflektiert und in das Medium hinein gebrochen wird. Dieser in Richtung des Mediums gebrochene Streustrahl S₁ verläuft dann etwa parallel zu dem reflektierten Zentralstrahl P₂ in Richtung auf die Innenfläche der oberen Meßrohrwand 1a, trifft dort unter dem gleichen Winkel a₂ wie der reflektierte Primär­ strahl P₂ auf und wird in Richtung auf die zweite Reflexions­ fläche 6 reflektiert. Dabei entstehen in der oberen Meßrohrwand 1a des Meßrohres, von den auftreffenden Strahlen P₂ und S₁ aus­ gehend, erneut gebrochene Strahlen B₃ und B₄, die durch mehr­ fache Reflexionen an den Außenflächen der oberen Meßrohrwand 1a einerseits unmittelbar an den empfangenden Ultraschallwandler 4 und andererseits zurück in Richtung auf das Medium gebrochen werden und dort als zusätzliche, laufzeitverzögerte Streustrah­ len in Erscheinung treten. Der Primärstrahl P₃ trifft wiederum unter dem Winkel a₁ auf die Reflexionsfläche 6 auf und wird von dort zum größten Teil in den empfangenden Ultraschallwandler 4 reflektiert. Ein geringer Teil wird aber an der Auftreffstelle der Reflexionsfläche 6 nach unten in Richtung auf die Außen­ fläche der unteren Meßrohrwand 1b gebrochen und wird von dort wieder gegen die Reflexionsfläche 6 gelenkt. Dort trifft er beispielsweise auf den einfallenden Streustrahl S₂ und addiert sich mit dessen reflektiertem Strahl zum Streustrahl S₃, der phasenverzögert an die Eingangsfläche des empfangenden Ultra­ schallwandlers 4 gelangt.

Wenn nun der Intensitätsbruchteil des gestreuten Strahles S₃ einen bestimmten Prozentsatz des Primärstrahles P₄ übersteigt, was bei praktischen Ausführungsformen der Meßeinrichtung, bei der die Meßrohrwände aus Stahl bestehen und das Medium Wasser ist, stets eintritt, beeinflußt der in der beschriebenen Weise gestreute Anteil der Ultraschallstrahlen die Genauigkeit des Meßergebnisses in störender Weise. Zwar tritt ein Teil der in der Meßrohrwand gebrochenen und an deren Außenseite auftreffen­ den Strahlen B₁ in Form von Tertiärstrahlen T nach außen. Dieser Anteil ist aber wegen der großen Differenzen der in den dort angrenzenden Medien (Stahl und Luft) auftretenden Ultra­ schallgeschwindigkeiten sehr gering und liegt im Promille-Be­ reich der Intensität des in das Medium hineinreflektierten Streustrahles S₁. Durch diese nach außen gebrochenen tertiären Streustrahlen T tritt also nur eine vernachlässigbar geringe Schwächung der reflektierten Streustrahlen ein.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Gestaltung der Außenflächen des Meßrohres in denjenigen Bereichen, in denen störende Bre­ chungen zu erwarten sind, gelingt es, die in die Wände des Meß­ rohres hinein gebrochenen Strahlen durch diffuse Reflexionen in ihrer Wirkung in das Medium hinein nahezu vollständig zu eli­ minieren. Dazu besitzt die Außenwand des Meßrohres in den Re­ flexionsbereichen des primären Ultraschallstrahlenfeldes eine sägezahnförmige Riffelung. Die Wirkung dieser Riffelung ist in den in Fig. 3 und 4 dargestellten vergrößerten Teilschnitten der Meßrohrwand dargestellt.

Oberhalb der Meßrohrwände fließt das Medium 2; unterhalb der sägezahnförmigen Außenfläche ist Luft. Die Meßrohrwand selbst besteht aus Stahl.

In Fig. 3 sei angenommen, daß das flüssige Medium 2 eine mate­ rialspezifische Ultraschallgeschwindigkeit von c₁ = 2700 m/s aufweist. Daraus ergibt sich ein Brechungswinkel an der Grenz­ fläche von 26°. Die Außenfläche der Meßrohrwand 1b hat ein sägezahnförmiges Außenprofil, welches im Querschnitt aus rechtwinkligen, ungleichschenkligen Dreiecken besteht, deren Höhe h wenigstens annähernd der Wellenlänge der Ultraschallfre­ quenz gleich ist. Der Winkel zwischen Hypothenuse und kleiner Kathete beträgt 65°, derjenige zwischen Hypothenuse und großer Kathete 25°. Dabei sind die kleinen Katheten in Sendestrahl­ richtung dem jeweils nächstliegenden Ultraschallwandler zuge­ wandt.

Es sei nun angenommen, daß in dem Beispiel nach Fig. 3 ein Ultraschallstrahl auf die Innenfläche der Meßrohrwand auftrifft und dort einen gebrochenen Strahl B₁ erzeugt. Dieser trifft auf die kleine Kathete des gegenüberliegenden dreieckförmigen Aus­ schnittes der Außenwand und wird als Strahl B₂ entgegengesetzt zur Richtung Sender/Empfänger auf die große Kathete des benach­ barten dreieckförmigen Ausschnitts der Außenwand reflektiert und gelangt von dieser als Strahl B₃ durch Reflexion noch weiter in Rückwärtsrichtung gegen die Innenwand 1b des Meß­ rohres und von dort wiederum durch Reflexion noch weiter zurück. Natürlich gilt diese Rückwärtsreflexion nicht für die gesamten, in die Meßrohrwand gebrochenen Streustrahlen, sondern lediglich für die in einem bestimmten Winkelbereich eintretenden. Dennoch wird durch die damit erzielte Gesamtschwächung der gebrochenen Streustrahlen erreicht, daß der verbleibende, den empfangenden Ultraschallwandler erreichende Anteil der von den gebrochenen Streustrahlen ausgehenden Sekundärstrahlen keine den Toleranz­ bereich überschreitende Ungenauigkeit mehr hervorruft.

In Fig. 4 ist die sich bei einem Medium mit einer Ultraschall­ geschwindigkeit von c₂ = 1200 m/s bei einem Brechungswinkel von ca. 50° ergebende Situation dargestellt. Die Dreiecksgeometrie entspricht derjenigen in Fig. 3. Wiederum entsteht an der Auf­ treffstelle der Innenwand des Meßrohres ein unter dem Winkel b₃ in das Innere der Meßrohrwand 1b gebrochener Streustrahl B₄, der auf die kleine Kathete des in Strahlrichtung liegenden Dreiecks auftrifft und in Rückwärtsrichtung des Strahlverlaufs zwischen Sender und Empfänger reflektiert wird. Dieser Strahl läuft sich in der Wand "tot". Auch der in Rückwärtsrichtung austretende gebrochene Streustrahl B₅ wird nicht wirksam, denn er trifft auf die große Kathete eines rückwärtigen Dreiecks auf, wird zwar von dort gegen die Innenfläche des Meßrohres reflektiert und erzeugt einen sekundären Ultraschallstrahl, der aber wegen seiner Rückwärtsrichtung nicht wirksam wird, während der reflektierte Streustrahl auf die kleine Kathete eines Außen­ wanddreiecks trifft und von dort über die große Kathete des be­ nachbarten Dreiecks noch weiter nach rückwärts gegen die Innen­ band des Meßrohres geleitet wird. Durch die Mehrfachreflexionen und das rückwärtige Auftreffen kann auch dieser Strahl den Empfänger nicht mehr erreichen.

Daraus ergibt sich, daß ein so erheblicher Teil der in die Meß­ rohrwand hinein gebrochenen Streustrahlung entweder in der betreffenden Meßrohrwand verbleibt oder in eine gegenüber der Richtung des Hauptstrahls rückwärtige Richtung gelenkt wird oder in derart geschwächter Intensität den Empfänger erreicht, daß sich die dadurch noch hervorgerufenen Ungenauigkeiten im Toleranzbereich der Anordnung bewegen.

Claims (3)

1. Meßrohr für Ultraschall-Durchflußmessungen nach dem Lauf­ zeitverfahren mit an einer Meßrohrwand (1a) in Strömungsrich­ tung des zu messenden Mediums (2) versetzt angeordneten, alter­ nierend als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallwand­ lern (3, 4), deren Sendestrahlbündel senkrecht zur Strömungs­ richtung des Mediums austritt, und die den Ultraschallwandlern jeweils gegenüberliegende Innenfläche (5, 6) des Meßrohres (1) in der Größe der Querschnittsfläche des dort auftreffenden Ultraschall-Strahlenbündels dem jeweils anderen Ultraschall­ wandler zugewandt in einem solchen Winkel gegenüber der Strö­ mungsrichtung schräg angeordnet ist, daß die vom gegenüberlie­ genden Ultraschallwandler während der Sendephase ausgehenden Ultraschallwellen nach wenigstens einer weiteren Reflexion an der gegenüberliegenden Meßrohrwand (1a) vom jeweils anderen Ultraschallwandler während dessen Empfangsphase empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (1a, 1b) des Meßrohres (1) im Bereich der auf die Meßrohr-Innenwand auftreffenden Ultraschallstrahlen ein sägezahnförmiges Außenprofil besitzt, dessen Querschnittsfläche aus aneinandergereihten, annähernd rechtwinkligen Dreiecken besteht, deren Basis in Strömungsrichtung verläuft, deren kleine Katheten dem nächstliegenden Ultraschallwandler (3, 4) in Sendestrahlrichtung zugewandt sind und deren Höhe (h) an­ nähernd der Wellenlänge der Ultraschallfrequenz gleich ist.

2. Meßrohr nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dreiecke der Querschnittsfläche des Außenprofils ungleichschenklig rechtwinklig sind und die kleine Kathete mit der Hypothenuse einen Winkel zwischen 55° und 75° bildet.

3. Meßrohr nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dreiecke der Querschnittsfläche des Außenprofils ungleichschenklig rechtwinklig sind und die kleine Kathete mit der Hypothenuse einen Winkel von wenigstens annähernd 65° bildet.