DE4213170C2 - Ultraschall-Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchfluß­ messer für fluide Medien mit einer Ultraschallmeßstrecke in einem vom fluiden Medium durchströmten Meßkanal und als Sender und/oder Empfänger fungierenden Ultraschallwandlern sowie einer Auswerteelektronik zur Ermittlung des Durch­ flusses des fluiden Mediums aufgrund der Laufzeit oder Pha­ sendifferenz eines Ultraschallsignals, wobei der Meßkanal schnecken- oder wendelförmig aufgewickelt ist.

Ein derartiger Ultraschall-Durchflußmesser weist neben den bislang meist üblichen geraden Meßkanälen den Vorteil auf, daß eine größere Länge der Meßstrecke möglich ist, ohne daß sich dadurch die Länge der Vorrichtung entsprechend erhöht. Mit einer verlängerten Meßstrecke ergibt sich aber auch eine erhöhte Meßgenauigkeit. Es hat sich nunmehr gezeigt, daß bei derartigen aufgewickelten Meßkanälen es schwierig ist, reproduzierbare Ergebnisse mit ausreichender Genauig­ keit zu erzielen, die offensichtlich mit der Ausbreitung der Wellen in den gewickelten Meßkanälen verbunden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ul­ traschall-Durchflußmesser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine verbesserte Meßgenauigkeit selbst bei reduzierten Anforderungen an die Auswerteelektronik möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Frequenz der Ultraschallwandler derart abgestimmt auf den engen Meßkanal gewählt ist, daß dieser wie ein Wel­ lenleiter nur die Fortpflanzung einer longitudinalen Welle mit einer einzigen Quermode über den Querschnitt zuläßt.

Umfangreiche der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen haben ergeben, daß durch diese Ausbildung und die Sicherstellung, daß nur eine bestimmte Wellenform im Meßkanal sich ausbreitet, reproduzierbare genaue Meßer­ gebnisse erreicht werden können, so daß in Verbindung mit den verlängerten Meßstrecken selbst bei nicht zu aufwendig ausgelegten Auswerteelektroniken bereits hervorragende Meß­ genauigkeiten sich ergeben.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß bei einem Meßkanal mit kreisrundem Querschnitt mit einem Radius R (in m) die Frequenz f (in 1/s) < 1.84 · C/R gewählt ist, wobei C die Schallgeschwindigkeit (in m/s) ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einiger Ausführungs­ beispiele sowie anhand der Zeichnung näher erläutert wer­ den. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen torusförmigen Meßkanal,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Meßkanals gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Meßkanal in Form einer 1 1/2-fachen Wendelwicklung, und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Meßkanals nach Fig. 3.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Doppelwandler mit einer aktiven Strecke L = π · D, wobei D der mittlere Durchmesser des Torus ist, entspricht dem eingangs ange­ spro­ chenen Beispiel mit n = 2. Der Meßkanal bildet dabei einen im Querschnitt kreisförmigen Torus 1, der durch einen Ultra­ schallwandler 2 eine Querabschottung erfährt, wobei der Ein­ gangskanal 3 zum Zuführen des fluiden Mediums auf der einen Seite und der Ausgangskanal 4 auf der anderen Seite des un­ terteilenden Ultraschallwandlers 2 quer vom Torus abgeht. Der Torus - der selbstverständlich auch einen anderen als einen kreisrunden Querschnitt haben könnte - ist dabei, wie man insbesondere in Fig. 2 erkennen kann, schräggestellt, so daß der Eingangskanal 3 und der Ausgangskanal 4 fluchtend in ei­ ner Ebene zueinander verlaufen können. Dies vereinfacht die Ausbildung der äußeren Anschlüsse der in Fig. 2 strichliert angedeuteten Meßdose 5, in der in üblicher Weise natürlich Platz für die Auswerteelektronik sowie ein Meß- und Zählwerk vorhanden sein muß. Man erkennt dabei aber aus der Fig. 2 sehr einfach, daß in einer Meßdose mit einem Durchmesser D - wenn man den halben Innendurchmesser des Meßkanals als ver­ nachlässigbare Größe betrachtet, was ohne weiteres statthaft ist, da dieser Meßkanal ja nicht allzu dick ausgebildet sein sollte, um Mehrfachreflexionen auszuschließen und infolge ei­ ner niedrigen Frequenz des Ultraschallwandlers nur die Fort­ pflanzung einer einzigen longitudinalen Welle mit einem Quer­ mode ohne mehrere Maxima und Minima zuzulassen - die aktive Meßstrecke um den Faktor π, also um mehr als das Dreifache größer ist als der Durchmesser der Meßdose 5. Bei rundem Querschnitt muß dazu die Frequenz f < 1.84 · C/R sein, wobei R der Rohrradius und C die Schallgeschwindigkeit sind. Durch eine solche Bemessung - bei anderen Querschnittsformen des Meßkanalquerschnitts als dem vorstehend angesprochenen runden Querschnitt ergeben sich andere Grenzfrequenzen, unterhalb deren die angesprochenen longitudinalen Wellen mit einer Quermodeausbildung alleine fortpflanzungsfähig sind - ist un­ terhalb der Grenzfrequenz die Druckverteilung über den Quer­ schnitt nur gleichförmig in dem Sinn, daß nicht Maxima und Minima verteilt auftreten, sondern quasi die Schallwelle über den Querschnitt "gleichmäßig atmet".

Wird der Ultraschallwandler 2 als Sender impulsförmig ange­ regt, so sendet er simultan eine Druckwelle in beide Richtun­ gen. Zirkuliert nun als Beispiel für ein fluides (gasförmiges oder flüssiges) Medium Wasser in dem kreisförmigen Ultra­ schallkanal, so werden die beiden links- bzw. rechtszirkula­ ren Schallimpulse zu unterschiedlichen Zeiten ihre Kreisbahn durchlaufen haben und nicht gleichzeitig am nun als Empfänger dienenden Ultraschallwandler eintreffen. Der Zeitversatz zwi­ schen den beiden Empfängersignalen ist damit ein Maß für die Wassergeschwindigkeit und damit den Durchfluß. Vorteile sind hierbei die Vereinfachung durch nur einen einzigen Ultra­ schallwandler, die Gleichzeitigkeit der Messung in beiden Richtungen, die Fehler durch Temperaturdriften ausschließt, sowie die Elimination von Problemen, die sich durch die sonst wegen des Rückstoßes stets auftretende Ultraschallwelle im Gehäuse ergeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 handelt es sich um den Meßkanal eines Ultraschall-Durchflußmessers, bei dem der Meßkanal 1′ aus 1 1/2 Windungen einer zylindrischen Wendel besteht. Der eine Ultraschallwandler 2′ ist im Einmündungsbe­ reich des Eingangskanals 3 und der andere 2′′ im Einmündungs­ bereich des Ausgangskanals 4 angeordnet, so daß sich, wie auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 die Ul­ traschallwandler an einer Stelle befinden, an der sie vom Flüssigkeitsstrom stets gut gespült werden, so daß Ablagerun­ gen auf ihnen vermieden werden.

Der Durchmesser des Torus 1 bzw. der Wendel 1′ sollte bevor­ zugt entsprechend den Abmessungen konventioneller (Flügelrad-) Zähler gewählt werden, so daß die erfindungsgemäße Ausge­ staltung unter Verwendung dieser üblichen Zähler bzw. zum Einbau in diese üblichen Zähler geeignet ist.

Claims (2)

1. Ultraschall-Durchflußmesser für fluide Medien mit ei­ ner Ultraschallmeßstrecke in einem vom fluiden Medium durchströmten Meßkanal und als Sender und/oder Empfän­ ger fungierenden Ultraschallwandlern sowie einer Auswerteelektronik zur Ermittlung des Durchflusses des fluiden Mediums aufgrund der Laufzeit oder Phasendif­ ferenz eines Ultraschallsignals, wobei der Meßkanal schnecken- oder wendelförmig aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ultraschallwand­ ler (2, 2′, 2′′) derart abgestimmt auf den engen Meß­ kanal gewählt ist, daß dieser wie ein Wellenleiter nur die Fortpflanzung einer longitudinalen Welle mit einer einzigen Quermode über den Querschnitt zuläßt.

2. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Meßkanal mit kreisrundem Querschnitt mit einem Radius R (in m) die Frequenz f (in 1/s) < 1.84 · C/R gewählt ist, wobei C die Schall­ geschwindigkeit (in m/s) ist.