DE4010148A1 - Verbesserung fuer einen ultraschall-gas-/fluessigkeits-durchflussmesser - Google Patents
Verbesserung fuer einen ultraschall-gas-/fluessigkeits-durchflussmesserInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung an
einem Ultraschall-Gas-/Flüssigkeits-Durchflußmesser wie er in
verschiedenen Ausführungsformen in den älteren Patentanmel
dungen P 39 41 546.5 und P 39 41 545.7 und P 39 41 544.9
ausführlich beschrieben ist. Den Durchflußmessern, der
vorgenannten älteren Patentanmeldungen gemeinsam ist, daß das
vom Gas bzw. von der Flüssigkeit durchströmte Meßrohr im
Bereich der Ultraschall-Durchflußmessung rechteckförmigen
Querschnitt hat. D. h., daß dieses Meßrohr planflächige Seiten
wände besitzt. Ebenfalls allen diesen Durchflußmessern gemein
sam ist, daß der zur Durchflußmessung verwendete Ultraschall
einen W-förmigen Weg mit entsprechend drei Reflexionen des Ul
traschalls an solchen Wänden des Meßrohres aufweist. Die
Bezeichnung "W"-förmig" verweist auf das Prinzip der Wegführung
des Ultraschalls hin. Es können auch Ultraschallwege mit noch
mehr aufeinanderfolgenden Reflexionen zwischen dem den Ultra
schall erzeugenden Sendewandler und dem den Ultraschall empfan
genden Empfangswandler vorgesehen sein. Die Anbringung der not
wendigerweise vorzusehenden Empfangs-/Sendewandler und das Er
fordernis diese Wandler am Meßrohr so anzubringen, daß keine
nennenswerte Beeinträchtigung der Strömung des Gases bzw. der
Flüssigkeit im Meßrohr auftritt, zwingt dazu, den Ultraschall
in Schrägrichtung in das Meßvolumen des Meßrohres hineinzusen
den und in entsprechender Schrägrichtung vom Empfangswandler
wieder aufzunehmen.
Die obengenannte Patentanmeldung P 39 41 546.5 betrifft einen
Durchflußmesser mit solch rechteckförmigem Querschnitt, dessen
Höhe H zur Breite B der Querschnittsfläche der Strömung größer
2 : 1 bis 15 : 1 beträgt. Mit einer solchen Bemessung der Seitenre
lation der Wände des Meßrohres läßt sich erreichen, daß der von
dem Gas oder der Flüssigkeit durchströmte Meßrohr-Querschnitt
vom Ultraschall homogen durchstrahlt wird, nämlich wenn die
Sende-/Empfangswandler an dem Meßrohr an den Schmalseiten mit
der Breite B angebracht sind und die Höhenabmessung des Quer
schnittes eine Komponente des Weges des Ultraschalls im Meß
rohr ist. Weitere diesbezügliche Einzelheiten der geometrischen
Anordnung gehen aus der Querschnittsdarstellung der Fig. 1 und
der Seitenansicht der Fig. 2 hervor.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zusammengenommen die Ansicht in Axial
richtung der Strömung (Fig. 1) und die Seitenansicht des in
Längsrichtung aufgeschnittenen Rohres (Fig. 2). Mit H und B
sind die oben definierten Abmessungen für die Höhe und Breite
des Rechteckrohres 1 angegeben. Mit 2 und 3 sind die Seiten
wände und mit 4 und 5 sind die untere Seitenwand und die obere
Seitenwand bezeichnet. Dieselben Bezugszeichen zeigt die Fig.
2. In die obere Seitenwand 5 sind die Wandler 11 und 12 einge
setzt, und zwar mit ihrer Sende- bzw. Empfangsfläche 111, 112
schräg gerichtet zur Seitenwand 5 (wie dies die Fig. 2 zeigt).
Im Winkel Alpha (=a) ist der W-förmigen Ultraschallweg 21 ge
richtet, nämlich bezogen auf die Seitenwände 4 und 5. Die
Flächen 111 und 112 sind so gerichtet, daß der Strahlweg 21
diese Flächen senkrecht trifft.
Es ist aber prinzipiell nicht zu vermeiden, daß ein Anteil
akustischer Energie auch in einem solchen Winkel von der Fläche
111 bzw. 112 abgestrahlt bzw. von diesen Flächen empfangen
wird, der zu einem V-förmigen Weg 22 im Rohrinneren des Rohres
1 führt. Der V-förmige Weg mit dem Winkel Beta (=b) hat eine
andere Laufzeit als der gewünschte W-förmige Weg, der
vorteilhafterweise eine größere akustische Weglänge im Rohr 1
hat, als dies für den V-förmigen Weg der Fall ist.
In Fig. 2 ist die Gesamtlänge des Durchflußmessers mit L ange
geben. Die übrigen Zeichnungen in der Fig. 2 beziehen sich auf
die nachfolgend gegebene physikalische Erläuterung zur
Erfindung.
Für einen den Fig. 1 und 2 entsprechenden erfindungsgemäßen
Durchflußmesser mit dreifacher Schallreflexion an unterer und
oberer Seitenwand beträgt die wirksame Strömungsgeschwindig
keit veff
veff=v*cosa (1)
mit Alpha als dem Winkel zwischen der axialen Strömungsrichtung
und der Abstrahl- bzw. Empfangsrichtung der Wandler 11 und 12
und mit v* als über den Schallweg gemittelter
Strömungsgeschwindigkeit. Mit dem zeitlich differentiellen Volumenstrom
dV/dt hängt v* zusammen:
dV/dt=v* · F (2)
mit F gleich der Querschnittsfläche H×B. Die Länge Ls des
Schallwegs im bewegten Medium ergibt sich zu
mit N=Anzahl der Reflexionen. Mit der Länge der Meßstrecke
La zwischen den Durchstoßpunkten des Ultraschalls durch die
(gedachte) obere Seitenwand (siehe auch die Fig. 2) zum
strömenden Medium
La=(N+1) H cot a=4 H cot a für N=3 ("W"-Anordnung) (4)
erfolgt für die einzielbare Laufzeitdifferenz
Vom Rohreinlaß bis zum Durchstoßpunkt (Fig. 2) befindet sich
zwar strömendes Medium, das durch den Ultraschallstrahl aber
nicht erfaßt wird. Diese Vorlauflänge Lv hängt vom Einstrahl
winkel Alpha und vom Radius r des Wandlers ohne Berücksichti
gung der Wandlergehäusewandstärke ab:
Der Schallweg Lw innerhalb der Wandlertaschen ist
Lw=r cot a (7)
Dieser Schallweg verursacht zusätzliche Signaldämpfung und wird
deshalb möglichst klein gehalten.
Der nicht nutzbare Anteil 2Lv/L an der Gesamtlänge L=La+2Lv
errechnet sich zu
Dieser Anteil hängt vom Einstrahlwinkel Alpha (=a), vom
Wandlerradius r und von der Höhe H des Rohrquerschnittes ab. Je
höher das Rohr und je kleiner der Wandlerradius r, desto größer
ist der nutzbare Anteil. Der nutzbare Anteil wird mit kleinerem
Winkel Alpha größer (bis sich mit Alpha=0 der Grenzfall des
geradlinig durchschallten Meßrohrs ohne Reflexionen (keine
"W"-Anordnung mehr) ergibt). Das ebenfalls zur Messung nicht
nutzbare Volumen der Wandlertasche
wird bei vorgegebenem r mit größerem Alpha kleiner. Damit wird
der Einfluß der Querschnittserweiterung und -verengung auf Tur
bulenzen und Druckverlust geringer.
Bei der "W"-Anordnung wird als überlagertes Störsignal der Bei
trag des parasitären "V"-Schallweges 22 beobachtet, der im
Winkel Delta a zur Normalen der Wandlerfläche 111, 112
("W"-Schallweg) abgestrahlt wird und im Winkel Beta einmal
(N=1) reflektiert wird.
Eine lokale Separation der Schallwege läßt sich erreichen.
Es gilt die Beziehung Delta a=a-b. Für beide Schallwege
konstant ist der Abstand der Wandlermittelpunkte Lm. Für den
"W"-Schallweg setzt sich dieser zusammen aus Lm=La+2Lr (Fig. 2).
Mit der Beziehung
Lr=r cot a cos a (10)
und aus (4) ergibt sich für den Winkel Delta a
Das bedeutet, daß bei a0° und 90° ein größeres Delta a
durch ein kleineres r und ein größeres a erreicht wird. Bei r
verschieden von 0 und a fest kann ein größeres Delta a noch
über die Höhe H erreicht werden. Für r sehr viel kleiner als H
bzw. r=0 kann (11) einfacher durch
ausgedrückt werden. Delta a ist also von der Höhe H unabhängig.
Hier liefert die Reihenentwicklung für arctan(x) und tan(x) die
Näherungformel
Ein großes Delta a bedeutet eine gute Unterdrückung der
"V"-Signalamplitude. Deshalb sollte auch der Einstrahlwinkel so
groß wie möglich gemacht werden und r sehr viel kleiner als H
erfüllt sein. Der Abstand der Auftreffpunkte
Ld=La/4=H cot a (14)
soll mindestens Ld größer 2Lv sein, d. h. La größer 8Lv, um die
Koinzidenz beider Strahlwege so gering wie möglich zu halten
und die Reduzierung der "V"-Amplitude durch reflexionsdämpfende
Elemente zu ermöglichen. Da meist La fest vorgegeben ist, ist
auf eine entsprechende Dimensionierung von Lv zu achten.
Auch eine zeitliche Separation der Schallwege läßt sich er
reichen.
Die Länge des Schallweges ist für r=0 durch Ls beschreibbar,
der Schallweg für den "V"-Pfad durch L′s nach (3) und (12). Die
Weglängendifferenz dL=Ls-L′s ist für den einfachen Fall r=0 bzw.
r sehr viel kleiner als H beschreibbar durch
Mit den Beziehungen tauf=Ls/(c-veff) für "stromauf" und
tab=Ls/(c+veff) für "stromab" für die strömungsabhängigen
Laufzeiten läßt sich die Zeitdifferenz td zwischen dem
Eintreffen des "V"- und "W"-Signals darstellen als
Je größer td ist, desto besser ist das "V"-Signal vom
"W"-Signal zeitlich separiert, d. h. Auswertefehler durch
Überlagerungseffekte werden verringert (Zeitmultiplex). Es ist
zu beachten, daß bei Strömung stromaufwärts die Zeit td
zunimmt und stromabwärts abnimmt, also auch die zeitliche
Separierbarkeit abnimmt. dL sollte deshalb so groß gemacht
werden, daß bei Maximalströmung beide Signalanteile noch ge
nügend zeitlich separiert sind. Größeres a, d. h. steilere Ein
strahlung und größere Höhe H vergrößern dL.
Eine oben erwähnte Randbedingung ist der zulässige Druckver
lust Delta p, der von der Meßrohrgeometrie wie folgt abhängt:
mit L = Länge des Meßrohres und U Umfang der durch F beschrie
benen Querschnittsfläche. Dies bedeutet, daß minimaler Druck
abfall bei quadratischer Meßrohrgestaltung eintritt.
Beim Design eines Ultraschallmeßrohres nach der "W"-Anordnung
ist im allgemeinen die maximale Meßrohrlänge La, der maximale
Volumendurchsatz dV/dt, der maximale Druckabfall Delta p bei
Verwendung eines bestimmten Mediums und die maximale Einbau
höhe H vorgegeben. Zu erreichen ist ein möglichst großes Del
ta t bei möglichst geringem Störeinfluß. Aus diesem maximalen
effektiven Wandlerabstand La (= Abstand der beiden Durch
stoßpunkte des Wandlerstrahls an der inneren Deckenfläche) und
der maximalen Einbauhöhe Hmax kann der Einstrahlwinkel bestimmt
werden:
Die Querschnittsfläche bzw. die Breite B des Meßrohres wird be
stimmt durch den Druckverlust. Sie wird in einer einfachen ex
perimentellen Prozedur so weit verändert, bis bei Maximalfluß
der maximale Druckverlust erreicht ist. Die sich daraus erge
bende Querschnittsfläche bestimmt die erzielbare Laufzeitdiffe
renz Delta t:
Aus (18) und (19) ergibt sich für das Verhältnis aus Höhe und
Breite des Meßrohres:
Bei einem langgestreckten Rohr (La größer H, La größer B) wird
sich H/B größer/gleich 2 einstellen. Das bedeutet ein Meßrohr
mit deutlich nichtquadratischem Querschnitt bis hin zu einem
extremen Verhältnis der Kantenlängen.
Zusammengefaßt ergibt sich somit für r = konstant und dem
Winkel Alpha (=a) verschieden von 0° und 90°, d. h. Strahlweg
mit Reflexionen, und N=3, ergeben sich für die Wahl des
Einstrahlwinkels a folgende Kriterien:
Eine gute, relative Ausnutzung der Meßrohrlänge Gl. 8 kann durch einen möglichst kleinen Winkel Alpha (=a) erzielt werden. Ein kleines Volumen der Wandlertaschen (Gl. 9), kurzer Schall weg in den Wandlertaschen (Gl. 7), großer Störabstandswinkel (Gl. 11, Gl. 12, Gl. 13) eine gute absolute Ausnutzung der Meß rohrlänge (Gl. 6) und eine gute zeitliche Separation der Schall wege (Gl. 15, Gl. 16) kann über einen wiederum möglichst großen Winkel a erreicht werden. Da der Störabstand, d. h. die Se paration der Schallwege, die Vermeidung von Turbulenzen und eine optimale absolute Ausnutzung der Meßrohrlänge entscheidend für die Qualität der Messung sind, sollte in der Praxis durch ein möglichst großes a (z. B. a größer/gleich 35°) gewählt werden. Prinzipiell ist a bei vorgegebenem La nach Gl. 18 nur durch die nach den Einbaumaßen des Rohres begrenzte Höhe H be schränkt. Da sich über H jedoch wichtige Größen (siehe oben) optimieren lassen, sollte H (im Verhältnis zur Breite B) so groß wie möglich gemacht werden. Allerdings bedeutet ein großes H zusätzliche Signaldämpfung durch lange Schallwege Ls, die jedoch durch genügend hohen Schallpegel kompensiert werden kann. Hohe Dämpfung tritt bei z. B. Methan und Methangemischen (mit z. B. Wasserstoff, Kohlendioxid . . .) auf.
Eine gute, relative Ausnutzung der Meßrohrlänge Gl. 8 kann durch einen möglichst kleinen Winkel Alpha (=a) erzielt werden. Ein kleines Volumen der Wandlertaschen (Gl. 9), kurzer Schall weg in den Wandlertaschen (Gl. 7), großer Störabstandswinkel (Gl. 11, Gl. 12, Gl. 13) eine gute absolute Ausnutzung der Meß rohrlänge (Gl. 6) und eine gute zeitliche Separation der Schall wege (Gl. 15, Gl. 16) kann über einen wiederum möglichst großen Winkel a erreicht werden. Da der Störabstand, d. h. die Se paration der Schallwege, die Vermeidung von Turbulenzen und eine optimale absolute Ausnutzung der Meßrohrlänge entscheidend für die Qualität der Messung sind, sollte in der Praxis durch ein möglichst großes a (z. B. a größer/gleich 35°) gewählt werden. Prinzipiell ist a bei vorgegebenem La nach Gl. 18 nur durch die nach den Einbaumaßen des Rohres begrenzte Höhe H be schränkt. Da sich über H jedoch wichtige Größen (siehe oben) optimieren lassen, sollte H (im Verhältnis zur Breite B) so groß wie möglich gemacht werden. Allerdings bedeutet ein großes H zusätzliche Signaldämpfung durch lange Schallwege Ls, die jedoch durch genügend hohen Schallpegel kompensiert werden kann. Hohe Dämpfung tritt bei z. B. Methan und Methangemischen (mit z. B. Wasserstoff, Kohlendioxid . . .) auf.
Praktisches Zahlenbeispiel:
Meßrohrlänge La = 150 mm, Druckabfall Delta p = 2 mbar, maximaler Volumenstrom dV/dt = 0,00167 m3/s, Medium Luft (Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s) bei Raumtemperatur, r = 5 mm. Experimentell erlaubt der Druckabfall die Querschnittsfläche F = 1,2 cm2. Die maximale Einbauhöhe beträgt H = 31,5 mm. Damit wird der Einstrahlwinkel a = 40° und die Breite B = 3,8 mm. Das ergibt für das Verhältnis H/B den Wert 8,25. Die nutzbare Laufzeitdifferenz wird Delta t = 36 µs betragen. Weitere Größen: Störabstandswinkel (mit Gl. 11) Delta = 16,1°, Lv = 7,8 mm, L 165,5 mm, 2Lv/L = 0,094, d. h. 90,6% der Meßrohrlänge werden genutzt. Das Volumen des Meßrohrs beträgt V = 19,9 cm3, das Volumen der Wandlertaschen Vt = 2.0,47 cm3. Da 8Lv = 62 mm kleiner La = 150 mm ist, ergibt sich eine gute lokale Selektierbarkeit der Schallwege. Die Größe dL wird zu 33,2 mm bestimmt. Damit trifft bei nichtbewegtem Medium das "V"-Signal ca. 98 µs vor dem "W"-Signal ein.
Meßrohrlänge La = 150 mm, Druckabfall Delta p = 2 mbar, maximaler Volumenstrom dV/dt = 0,00167 m3/s, Medium Luft (Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s) bei Raumtemperatur, r = 5 mm. Experimentell erlaubt der Druckabfall die Querschnittsfläche F = 1,2 cm2. Die maximale Einbauhöhe beträgt H = 31,5 mm. Damit wird der Einstrahlwinkel a = 40° und die Breite B = 3,8 mm. Das ergibt für das Verhältnis H/B den Wert 8,25. Die nutzbare Laufzeitdifferenz wird Delta t = 36 µs betragen. Weitere Größen: Störabstandswinkel (mit Gl. 11) Delta = 16,1°, Lv = 7,8 mm, L 165,5 mm, 2Lv/L = 0,094, d. h. 90,6% der Meßrohrlänge werden genutzt. Das Volumen des Meßrohrs beträgt V = 19,9 cm3, das Volumen der Wandlertaschen Vt = 2.0,47 cm3. Da 8Lv = 62 mm kleiner La = 150 mm ist, ergibt sich eine gute lokale Selektierbarkeit der Schallwege. Die Größe dL wird zu 33,2 mm bestimmt. Damit trifft bei nichtbewegtem Medium das "V"-Signal ca. 98 µs vor dem "W"-Signal ein.
Wie sich aus dem Zahlenbeispiel erkennen läßt, ergibt sich ein
extremes Verhältnis der Kantenlängen. Es wird aber noch ein
weiterer Vorteil sichtbar: Bei quadratischem Querschnitt
gleicher Fläche wäre H=B= 11 mm und damit die den Wandlern
zugewandte Seite breiter als der eigentliche Wandler. Dies
hätte eine inhomogene Durchschallung des Meßraumes zur Folge
mit den daraus entstehenden gravierenden Meßfehlern. Bei einem
Verhältnis H/B größer 2 wird die den Wandlern zugewandte Seite
schmaler als der Wandler sein, und damit eine homogene Durch
schallung ermöglicht. Ein Meßrohrquerschnitt mit extremem Kan
tenverhältnis kann auch aufgrund seiner Strömungsrichtereigen
schaft in der Lage sein, an den Strömungseinlässen oder an den
Wandlertaschen entstandene oder stromaufwärts entstandene, ins
Meßrohr verschleppte Turbulenzen zu minimieren und damit einen
weiteren Beitrag zur Meßgenauigkeit. Reproduzierbarkeit und
Signalstabilität des Ultraschall-Meßverfahrens beitragen.
Mit einem erfindungsgemäß mit rechteckförmigem Querschnitt be
messenen Meßrohr 1 und mit der Wandleranordnung und -bemessung
für homogene Durchstrahlung lassen sich zuverlässig Durchfluß
messungen für den Bereich 5 ltr/h bis 30 cbm/h durchführen.
Z. B. ist dafür eine Bemessung H : B mit 30 mm zu 5 bis 6 mm
passend. Bei maximaler Durchflußmenge kann der Druckabfall bis
25 mbar ansteigen. Mit elektronischer Nachkorrektur läßt sich
ein solcher Durchflußmesser von 30 cbm/h bis sogar herab zu
1 ltr/h als genaues Meßgerät benutzen.
Die weitere obengenannte Patentanmeldung P 39 41 545.7
beschreibt einen einschlägigen Durchflußmesser, bei dem eine
Variation gegenüber dem Durchflußmesser der oben ersten
genannten Patentanmeldung angewendet wird, nämlich den Ultra
schall eines solchen W-förmigen Weges zu nutzen, dessen Aus
sendewege am Sendewandler und dessen Empfangswinkel am Em
pfangswandler ein von 90° verschiedener Winkel zur Sende-/
Empfangsfläche 111, 112 ist. Diese Abweichung vom 90°-Winkel
kann durch vergrößerten oder verkleinerten Abstand der Wand
ler 11, 12 oder durch absichtliche Winkel-Fehlorientierung der
Anbringung dieser Wandler bewirkt sein. Bei diesen Ausführungen
wird der Umstand genutzt, daß die Ultraschallstrahlung in ihrer
Intensität abhängig vom Winkel zur sendenden bzw. empfangenden
Fläche des Wandlers ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß auf
anderem als auf dem W-förmigem Wege zwischen Sendewandler und
Empfangswandler übertragener Ultraschall, z. B. auf V-förmigem
Wege 22 übertragener Schall in seiner Intensität relativ ge
schwächt ist. Diese Maßnahmen dienen dazu, das Nutzsignal gegen
über dem unerwünschten parasitären Signal hervorzuheben.
Bezüglich weiterer Einzelheiten zu dieser Ausführungsform sei
auf die Beschreibung dieser Anmeldung P 39 41 545.7 hingewie
sen, die damit zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ge
macht ist.
Beim Durchflußmesser der weiteren obengenannten Patentanmeldung
P 39 41 544.9 ist der Umstand nutzbar gemacht, daß in der
Differenz Ultraschallwellen gegeneinander zur Auslöschung ge
bracht werden können. Dem Querschnitt des Meßrohres, zwar am
Ort der Reflexion des schon erwähnten parasitären V-förmigen
Ultraschall-Strahlweges ist an der Innenseite des Meßrohres
eine solche Stufe angebracht, die dazu führt, daß ein Anteil
dieser parasitären Strahlung des V-förmigen Weges mit einer
Phase reflektiert wird, die entgegengesetzt der Phase der Re
flexion des anderen Anteils dieser Strahlung ist. Ohne
Schwierigkeiten läßt sich damit eine rechtliche Schwächung des
Signals des parasitären V-förmigen Weges gegenüber dem
gewünschten Signal des W-förmigen Weges erreichen. Bezüglich
weiterer Einzelheiten sei auf die Beschreibung dieser Anmeldung
hingewiesen, die ebenfalls zum Inhalt der vorliegenden
Anmeldung gemacht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesserung
eines Durchflußmessers der obengenannten älteren Patentanmeldung
anzugeben, mit der zusätzlich das Verhältnis des Nutzsignals
(des W-förmigen Weges) zum parasitären Signal (des V-förmigen
Weges) weiter verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1
gelöst.
Wie aus dem der beigefügten Fig. 2 zu sehen ist, erfolgt bei
den Durchflußmessern der obengenannten Patentanmeldung die
Reflexion der Ultraschallstrahlung am Ort 501 und am Ort 502,
sowie auch am Ort 503 an einer ebenen Fläche. Der Öffnungs
winkel der vom Sendewandler 11 ausgesandten Strahlung (das
gleiche gilt für den Wandler 12, wenn dieser als Sendewandler
betrieben wird) hat ein endliches Winkelmaß von z. B. d = 15°.
D. h., daß von dem Sendewandler divergierende Ultraschall
strahlung ausgeht, wobei der Divergenzwinkel bekanntermaßen ab
hängig ist von der Ultraschall-Wellenlänge und den geometrischen
Abmessungen und auch Einzelheiten der Ausführungsform des
Wandlers. Entsprechenden Divergenzwinkel hat auch die Empfangs
charakteristik eines solchen Ultraschallwandlers in seiner Be
triebsphase als Empfangswandler.
Mit der Erfindung ist durch zusätzliche Fokussierung an
wenigstens einer der Reflexionsstellen 501 bis 503 bewirkt,
daß die zunehmende Aufspreizung des Ultraschallstrahls 21 in
Grenzen gehalten bzw. rückgeführt wird.
Durch Wahl der Krümmung der Reflexionsflächen 501 bis 503 läßt
sich auch in Richtung B eine Fokussierung erzielen.
Die Fig. 2 zeigt in ihrer Schnittdarstellung die Krümmung rH,
mit der eine Ultraschall-Bündelung in der Ebene der Darstellung
der Fig. 2 zu erzielen ist. Die aus der Fig. 1 ersichtliche
Krümmung rB dient dazu, eine Bündelung der den Strahlweg 21
enthaltenden, zur Ebene der Darstellung der Fig. 2 senkrechten
Ebene (deren Projektion die Querschnittsebene der Fig. 1 ist).
Für den V-förmigen parasitären Ultraschallweg 22 sieht man
sinngemäß keine solche erfindungsgemäße Maßnahme vor. Durch
eine leichte Wandkrümmung an der Stelle 504, und zwar durch
eine solche Wandkrümmung, die Zerstreuung des reflektierten
Ultraschallstrahls 22 bewirkt, kann jedoch zusätzlich die
Relation des Nutzsignals gegenüber dem parasitären Signal ver
größert werden. Die oben beschriebenen fokussierenden
Krümmungen 501 bis 503 und die defokussierende Krümmung 504 in
der Innenwand des Meßrohres sind im Verhältnis zu den Ab
messungen H und B so klein, daß sie auf die Strömung des Gases
bzw. der Flüssigkeit in dem Meßrohr keinen störenden Einfluß
haben. Entsprechendes gilt für eine Bemessung der defokussierenden
Krümmung rD am Ort 504 der Reflexion der parasitären Strahlung
22, wobei - da es sich in diesem Falle um Defokussierung
handelt - kein besonderer Aufwand für eine optimale Bemessung
erforderlich ist. Optimal für die Bemessung der Krümmungen rH
und rB für die Reflexionsflächen 501 bis 503 ist, wenn minimale
Strahldivergenz am Ort des Empfangs des Ultraschall 21 des
W-förmigen Weges erzielt ist. Dabei gilt, daß die optimalen
fokussierenden Krümmungen sowohl für den Hinweg als für den
Rückweg gelten, d. h. für den Fall, daß der Wandler 11 der Sende
wandler und der Wandler 12 der Empfangswandler ist und umge
kehrt der Wandler 12 der Sendewandler und der Wandler 11 der
Empfangswandler ist.
Das nachfolgende mit der Fig. 3 Berechnungsbeispiel bezieht
sich auf eine einzige vorgesehene fokussierende Reflexion (auf
die Reflexion 503), wobei die übrigen Reflexionen des W-
förmigen Weges 21 der Fig. 1 außer Betracht gelassen sind. Bei
diesem Beispiel ist der W-förmige Weg für die Berechnung - und
wie in der Fig. 3 dargestellt -, zu einem Ultraschallweg mit
nur einer Reflexion "aufgefaltet" betrachtet. Gestrichelt ist in
Fig. 3 der eigentliche W-förmige Weg der Fig. 1 angedeutet.
Unabhängig von den in der Beschreibungseinleitung angegebenen
bzw. abgeleiteten Gleichungen 1 bis 20 gelten die weiteren zum
W-förmigen Weg angegebenen Gleichungen 21 bis 24.
Wie oben angegeben, wird mit dem Winkel Alpha (=a) die Ultra
schallstrahlung des ungefalteten W-förmigen Weges hier in Fig.
3 als Strahlungsweg 21′ in das Meßrohr 1 mit den Seitenwänden 2
bis 5 und der Höhe 2H und der Breite B eingestrahlt. Entsprechend
trifft die Ultraschallstrahlung auf den als Empfangswandler be
triebenen Ultraschallwandler 12′ mit diesem Winkel a auf.
Es gilt:
tan a= (21)
worin r wiederum der Radius des Wandlers, H die betreffende Abmessung
des Meßrohres l und Lm der Mittenabstand der Wandler
gemäß Fig. 2 ist.
Die Länge La beträgt
La== (22)
La== (22)
Die Länge der Schallwege innerhalb der beiden Wandlertaschen
beträgt
Lw=r cot a (23)
so daß sich als Gesamt-Schallweg Lges ergibt:
Lges=La+2Lw (24)
Lges=La+2Lw (24)
wobei dies der gesamte Schallweg von der schallabstrahlenden
Fläche des Wandlers 11′ bis zur schallaufnehmenden Fläche
des Wandlers 12′ ist, nämlich derjenige Schallweg, der für
die Fokussierung zwischen schallaussendender Fläche und schall
empfangender Fläche in Betracht zu ziehen ist.
Wie bereits oben erwähnt, gibt die Fig. 3 die Erläuterung für
die Berechnung einer fokussierenden Reflexion des Nutzsignals
wieder. Mit 21′ ist der Mittelstrahl des Strahlenbündels ange
geben und mit 21 1′ und 21 2′ sind angenommene Randstrahlen
kenntlich gemacht.
In der Fig. 3 ist die flache Krümmung mit dem Radius R angege
ben, wobei es sich bei diesem Beispiel um einen sphärischen
oder zylindrischen (Hohl-)Spiegel handeln soll. Aus der Fig. 3
ist die Fokussierungswirkung zu erkennen.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme gelangt auf den jeweils als
Empfangswandler betriebenen Ultraschallwandler ein höherer An
teil der akustischen Leistung, die vom jeweils als Sendewandler
betriebenen Wandler ausgesandt worden ist. Da für den
parasitären Weg (s. Fig. 2) keine solche Fokussierung vorge
sehen ist, kommt dieser Fokussierungsgewinn allein dem Nutz
signal und dem verbesserten Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis
zugute. Entsprechend der hier der Einfachheit halber am "Bei
spiel" wiedergegebenen Lehre der Erfindung kann sinngemäß für
den W-förmigen Weg des Nutzsignals die Fokussierungmaßnahme auf
die dort dann drei Reflexionen im Inneren des Meßrohres 1 auf
geteilt werden. Welche Wahl optimal ist, hängt vom Einzelfall
ab. Nur eine einzige fokussierende Reflexion vorzusehen, ist z. B.
technisch weniger aufwendig. Andererseits wird bei mehr
facher Fokussierung verhindert, daß sich das Bündel der Ultra
schallstrahlung stärker aufweitet, was z. B. bei geringer Größe
der Breite B wiederum von Vorteil ist.
Mit einem Hohlspiegel-Reflektor 503 und bei einer solchen Be
messung, bei der der Sendewandler im Brennpunkt dieses Hohl
spiegels liegt, ist die Auftrefffläche auf dem Empfangswandler
zu beschreiben als
Ff=2bLgestan(Delta/2) (25)
Bei geringer Breite B genügt es im allgemeinen, anstelle eines
sphärischen Spiegels eine reflektierende Zylindermantelfläche
mit der Rotationsachse des Zylinders senkrecht zur Ebene der
Darstellung der Fig. 3 (bzw. der Fig. 2) vorzusehen.
Bei der "W"-Anordnung werden nicht, wie hier zunächst idealisiert
dargestellt, paraxiale Strahlen reflektiert, sondern im Winkel
a auf die Spiegelebene fallende (s. Fig. 3) Strahlen.
Damit bleibt das homozentrische Strahlenbündel nach der Re
flexion nicht mehr homozentrisch, es entsteht kein klar de
finiertes Bild bzw. kein paralleles Strahlenbündel. Bedingt
durch die starke Abweichung von paraxialen Verhältnissen und
durch die Abbildungsfehler des betreffenden Reflektors liegt
der Sendewandler nicht in der theoretischen Brennebene, sondern
befindet sich in einem kürzeren Abstand zur Reflektorebene. Es
muß darauf geachtet werden, daß das Strahlenbündel unter allen
Strömungsverhältnissen, insbesondere unter Berücksichtigung der
auftretenden Strahlungsverwehung, auf den Empfangswandler
trifft.
Weitere, allerdings nur in besonderen Fällen erforderliche
Hilfestellung ist den nachfolgenden Ausführungen zu entnehmen.
Es sei wieder auf Fig. 3 Bezug genommen, und für den "darge
stellten", tatsächlich W-förmigen Strahlweg des Nutzsignals,
ist die Höhe H′ doppelt so groß wie die tatsächliche Höhe H des
Meßrohres angegeben. Bild 2 zeigt eine praktische Anordnung der
Wandler in einem W-Meßrohr, wobei die erste und die dritte
Reflexion "aufgefaltet" wurden, da diese für die folgenden Be
trachtungen keine Rolle spielen. Dazu muß allerdings die Höhe H
verdoppelt werden. Der sendende Wandler 11′ wird als Punktquelle
dargestellt. Ein kartesisches Koordinatensystem wird eingeführt
mit Ursprung am Scheitelpunkt des konkaven Reflektors (d. h.
die y-Achse ist die Spiegelachse des Systems und die x-Achse
geht durch den Scheitelpunkt des Reflektors). Es wird im
folgenden ein empirisches Verfahren zur Bestimmung eines
günstigen Siegelradius beschrieben. Dazu wird der Sendewandler
als Punktquelle (homozentrisches Strahlenbündel) angesehen. Der
Divergenzwinkel sei Delta (=d). Da sich, wie oben erwähnt,
nach der Spiegelung keine stigmatische Abbildung mehr ergibt,
bzw. sich kein paralleles Strahlenbündel mehr erreichen läßt,
soll erreicht werden, daß alle Strahlen innerhalb des Divergenz
winkels den Empfangswandler treffen. Dazu soll der jeweils
unter (a +/- d/2) vorgesehene Strahl jeweils den Eckpunkt des
Empfangswandlers treffen (s. Bild 3).
Es sind bekannt die Koordinaten der sendenden Punktquelle
W1(x1; y1) als Mitte des Sendewandlers 11, sowie die Eckpunkte
des Empfangswandlers 12 W21(x21; y21) für den oberen Eckpunkt
und W22(x22; y22) für den unteren Eckpunkt. Es wird der Ein
strahlwinkel a mittels der Geraden 21′ g0 bestimmt. Ausgehend
vom Sendewandler werden die Geraden 21 1′ und 21 2′ bestimmt, die
unter dem Winkel (a + d/2) und (a - d/2) auftreten.
Es sei näherungsweise die Spiegelkrümmung vernachlässigbar,
so daß die Schnittpunkte S1 und S2 der x-Achse mit 21 1′ und 21 2′
bestimmt werden können. Es werden die Geradengleichungen 121 1′
und 121 2′ mit Hilfe von S1 und W21 bzw. S2 und W22 aufgestellt.
Zu bestimmen ist jetzt noch der Schnittpunkt der Winkelhalbie
renden von 21 1′ und 121 1′ bzw. von 21 2′ und 121 2′ mit der
y-Achse (d. h. x=0), der dann den Radius des Hohlspiegels dar
stellt. Aus o. g. Gründen werden sich zwei geringfügig ver
schiedene Radien ergeben. Die Brennweite ergibt sich dann zu
f=r/2. Außerdem ist die erhaltene Lösung wegen der gemachten
Annahme noch gewissen Fehlern unterworfen, so daß noch in der
Praxis eine Feinabstimmung an der aktuellen Übertragungsstrecke
erforderlich ist.
Folgendes Beispiel bezieht sich auf eine erfindungsgemäße Ver
besserung eines früheren Ausführungsbeispiels. Bei diesen war
die Breite B=6 mm, die Höhe H=30 mm, der Einstrahlwinkel a=38°,
der Abstand Lm=165 mm, und der Divergenzwinkel d=15°. Der jetzt
vorgesehene Hohlspiegel weist gegenüber der Höhe H eine Tiefe
von 3 mm auf, dort sollen auch die Reflexionspunkte liegen. Der
Wandlerradius beträgt r=7 mm.
Es ergibt sich der Wert Lm=179,12 mm. Es ergeben sich zwei
verschiedene Hohlspiegelradien R1=220 mm und R2=211 mm.
Durch die Spiegelvertiefung ergibt sich eine Sehnenlänge S am
Übergang zum eigentlichen Meßkanal von ca. 72 mm. Die Nach
prüfung durch ein Experiment zeigte, daß man mit einem Radius
von ca. 220 mm den optimalen Signalgewinn erreicht. Der
Signalgewinn beträgt dabei ca. 6 dB.
Prinzipiell könnte auch an allen drei Reflexionsorten
fokussierende Elemente vorgesehen werden. Jedoch sind die ent
sprechenden Hohlspiegelradien anzupassen. Am Reflexionsort des
parasitären "V"-Signals könnte man eine defokussierende Maß
nahme zur Verbesserung des Störabstandes zum Nutzsignal vor
sehen (Konvexreflektor). Die beschriebene fokussierende Maß
nahme kann auch für Meßrohre angewandt werden, die im Gegensatz
zu der "W"-Schallführung eine Schallführung mit einer Reflexion
("V"-Meßrohr) aufweisen.
Im obigen Text wurde lediglich ein sphärischer Reflektor er
wähnt. Ein parabolischer Reflektor würde noch bessere Ab
bildungseigenschaften liefern.
Claims (9)
1. Ultraschall-Durchflußmesser mit einem von Gas-/Flüssigkeit
zu durchströmenden Meßrohr (1) und mit Ultraschall-Sende-/
Empfangswandlern (F12), die für einen in dem Meßrohr (1) ver
laufenden "W"-förmigen Ultraschallweg (21′) mit im Meßrohr (1)
vorgesehenen, mehrfachen Reflexionen plaziert in einem gegebe
nen Abstand voneinander an ein und derselben Seitenwand (5)
des Meßrohrs (1) angebracht sind, gekennzeich
net dadurch, daß zur Verbesserung des Nutzsi
gnal/Störsignalverhältnisses, wobei das Störsignal auf einem
bekanntermaßen im Meßrohr (1) auftretenden parasitären "V"-
förmigem Ultraschallweg beruht,
an wenigstens einer der Reflexionsstellen (501, 502, 503) des
"W"-förmigen Ultraschallweges (21) fokussierende Krümmung des
die (jeweilige) Reflexion bewirkenden Flächenanteils der Innen
oberfläche der Meßrohr-Wandung (4, 5) vorliegt,
wobei dieser Flächenanteil auf den Öffnungswinkel +/- Delta
abgestimmt bemessen ist und die (Gesamt-) Fokussierung der
bündelförmigen Ultraschallstrahlung (21) am Ort des Empfangs
wandlers (12′ in Fig. 3) dessen Empfangs-Oberfläche trifft
(Fig. 3).
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, gekennzeich
net dadurch, daß mehrere der Reflexionsstellen
(501, 502, 503) die Ultraschallstrahlung (21) des "W"-förmigen
Weges des Nutzsignalstrahlung zwischen Sendewandler (11 bzw.
12) und Empfangswandler (12) bzw. Sendewandler (11) zusammen
genommen diese Fokussierung bewirken (Fig. 2).
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, gekenn
zeichnet dadurch , daß für den "V"-förmigen
Ultraschallweg (22) parasitärer Ultraschallstrahlung zwischen
Sendewandler und Empfangswandler an der im Meßrohr (1) liegen
den Reflexionsstelle für diese Strahlung (22) defokussierend
wirkende Formgebung (504) der Oberfläche der Innenwand des
Meßrohres vorgesehen ist (Fig. 2).
4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge
kennzeichnet dadurch , daß sphärische
Formqebung der wenigstens einen Reflexionsstelle (501, 502,
503) des Ultraschallweges (21) der Nutzsignalstrahlung vor
liegt.
5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge
kennzeichnet dadurch, daß zylindrische
Formgebung der wenigstens einen Reflexionsstelle (501, 502,
503) des Ultraschallweges (21) der Nutzsignalstrahlung vor
liegt.
6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge
kennzeichnet dadurch, daß parabolische
Formgebung der wenigstens einen Reflexionsstelle (501, 502,
503) des Ultraschallweges (21) der Nutzsignalstrahlung vor
liegt.
7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge
kennzeichnet dadurch, daß Formgebung mit,
bezogen auf die Richtungen der Rohrabmessungen (L und B) un
terschiedlichen Fokussier-Krümmungen der wenigstens einen Re
flexionsstelle (501, 502, 503) des Ultraschallweges (21) der
Nutzsignalstrahlung vorliegt.
8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge
kennzeichnet dadurch, daß das Meßrohr
(1) rechteckförmigen Querschnitt entsprechend der Patentan
meldung P 39 41 546.5 aufweist.
9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ge
kennzeichnet dadurch, daß die Anordnung
von Sendewandler (11 bzw. 12) und Empfangswandler (12 bzw. 11)
zueinander entsprechend der älteren Patentanmeldung
P 39 41 545.7 bemessen ist.
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