DE4330363A1 - Volumendurchflußmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumendurchflußmeßgerät zur Messung des Volumen­ stromes von Flüssigkeiten, mit einer Meßleitung, mit einem ersten Meßkopf und mit einem zweiten Meßkopf.

Für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie ist die genaue Bestimmung des Volumendurchflusses einer Flüssigkeit durch eine Meßleitung notwendig. Das Volumen einer Flüssigkeit kann aus dem Leitungsquerschnitt der Meßlei­ tung und der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit berechnet werden. Dabei ist die Bestimmung des Leitungsquerschnittes einfach, der Leitungsquer­ schnitt nämlich fest vorgegeben. Für die Genauigkeit der Volumendurchfluß­ messung ist also die Genauigkeit der Messung der Fließgeschwindigkeit ent­ scheidend. Denn einerseits muß der Meßwert der Fließgeschwindigkeit mög­ lichst genau sein und andererseits kann es notwendig sein, eine kontinuier­ liche bzw. in möglichst kurzen Zeitabständen wiederkehrende Messung durch­ zuführen, da kurzzeitige Schwankungen in der Fließgeschwindigkeit auftreten können. Damit diese Schwankungen in die Berechnung des Volumendurchflusses über einen längeren Zeitraum eingehen, wird die Bestimmung des gesamten Volumendurchflusses durch Aufsummierung des Volumendurchflusses innerhalb jeweils kurzer Zeitintervalle durchgeführt.

Die Messung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird im Stand der Tech­ nik (H. Bernard, "Ultraschall-Durchflußmessung", in "Das Handbuch für Inge­ nieure", Bonfig/Bartz/Wolff, zweite Ausgabe), von dem die Erfindung aus­ geht, mit Hilfe der Übertragung eines Schallsignals über einen fest vorge­ gebenen Meßpfad durchgeführt. Dabei ergibt sich die Laufzeit des Schall­ signals auf dem Meßpfad von einem Schallsender zu einem Schallempfänger in der Flüssigkeit aus der Schallgeschwindigkeit und der Fließgeschwindig­ keit (Mitführung). Daraus ist das Prinzip der Schall-Durchflußmessung nach dem Laufzeitdifferenz-Verfahren abgeleitet. In der Flüssigkeit werden Schallsignale wechselweise oder gleichzeitig stromauf und stromab gesendet. Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit erreichen die Schallsignale bei gleich langem Meßpfad stromab und stromauf die Schall­ empfänger nach unterschiedlichen Laufzeiten t₁ und t₂. Die Differenz t₂­ t₁ ist ein Maß für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem durch Schallsender und Schallempfänger gebildeten Meßpfad. Die Schallsender werden durch eine elektrische Spannung zum Schwingen angeregt und geben ein Schallsignal in die Flüssigkeit ab. Die Schallempfänger nehmen dieses Signal nach Durchlaufen des Meßpfades auf und verwandeln es in eine elek­ trische Spannung. Aus den dabei erfaßten Schallsignallaufzeiten wird die Laufzeitdifferenz ermittelt, die proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Meßleitung ist.

Im Stand der Technik werden zwei Meßköpfe derart an einer Meßleitung ange­ bracht, daß ihre Verbindungslinie eine Komponente parallel zur Fließge­ schwindigkeitsrichtung aufweist. Die Meßköpfe werden dabei entweder mit Kontakt zur Flüssigkeit in die Meßleitung eingesetzt oder ohne Kontakt mit der Flüssigkeit von außen auf der Meßleitung befestigt. Die Meßköpfe ent­ halten die jeweils einen piezoelektrischen Wandler, mit dem das für die Durchflußmessung erforderliche Schallsignale erzeugt (Schallsender) und auf­ genommen (Schallempfänger) wird. Legt man an die beiden mit einer elek­ trisch leitenden Schicht versehenen Flächen des piezoelektrischen Wandlers eine hochfrequente Wechselspannung an, so verändert der piezoelektrische Wandler mit der gleichen Frequenz periodisch seine Dicke und ist in der Lage, in dem umgebenden Medium Schallwellen zu erzeugen. Dieser Vorgang ist umkehrbar, so daß vom Schallsender durch die Flüssigkeit laufende Schallsignal an einem piezoelektrischen Wandler des zweiten Meßkopfes eine Dickenschwingung erzeugen, die in dem piezoelektrischen Wandler eine elek­ trische Wechselspannung erzeugt. Diese wird durch elektronische Elemente verstärkt und weiterverarbeitet.

Des weiteren wird im Stand der Technik zur Durchführung des Laufzeitdif­ ferenz-Verfahrens die direkte Laufzeitmessung mit Hilfe der "Leading-edge"- Methode verwendet. Dazu wird ein genau definiertes, pulsförmiges Schallsig­ nal vom Meßkopf 1 zum Meßkopf 2 gesendet, wobei zur Messung der Laufzeit t₁ nur die erste Steile, genau definierbare Flanke des pulsförmigen Schall­ signals benutzt wird. Gleichzeitig wird vom zweiten Meßkopf ein Schall­ signal zum ersten Meßkopf gesendet und in gleicherweise die Laufzeit t₂ gemessen. Die Laufzeitdifferenz t₂-t₁ ist direkt linear proportional der mittleren Fließgeschwindigkeit, wobei andere Parameter, wie zum Beispiel die temperaturabhängige Dichte und Vikosität, nicht in die Messung ein­ gehen.

Zusätzlich zu dem von der Flüssigkeit übertragenen Schallsignal als Meßsig­ nal tritt ein Schallsignal als Störsignal auf, das durch die Übertragung des Schallsignals über das Material der Meßleitung auftritt. Bei den be­ kannten Volumendurchflußmeßgeräten besteht die Meßleitung aus Metall, in dem die Schallgeschwindigkeit größer ist als in der Flüssigkeit. Denn bei Metallen liegt die Schallgeschwindigkeit im Bereich von 4000-5000 m/s und bei Flüssigkeiten im Bereich von 1500 m/s. Das als Störsignal anzu­ sehende Schallsignal wird also zeitlich vor dem als Meßsignal auszuwertenden Schallsignal durch den Schallempfänger aufgenommen, so daß das Meßsignal das Störsignal überlagert. Diese Überlagerung tritt also besonders zu Beginn des Meßsignals auf, der - wie oben beschrieben - als Maß für die Bestimmung der Laufzeit verwendet wird. Die Intensität des Störsignals ist in der Re­ gel gleich groß oder größer als das Meßsignal, da das Schallsignal sehr gut durch Metall übertragen wird. Dieser Umstand erschwert zusätzlich die Be­ stimmung der Laufzeit des Meßsignals.

Im Stand der Technik ist auf verschiedene Weise versucht worden, das Stör­ signal auswertungstechnisch zu unterdrücken. Eine Möglichkeit besteht dar­ in, daß ein zeitliches Fenster, in dem das Störsignal unabhängig von der Fließgeschwindigkeit mit konstanter Laufzeit auftritt, eingerichtet wird, währenddessen das vom jeweiligen Schallempfänger empfangene Schallsignal unterdrückt wird. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß in jedem Falle ein ausreichender Laufzeitunterschied zwischen dem Störsignal und dem Meß­ signal besteht. Im Stand der Technik muß also bei den bekannten Volumen­ durchflußmeßgeräten ein ausreichend langer Meßpfad vorhanden sein. Eine weitere Möglichkeit der Unterdrückung des Störsignals besteht in dem An­ legen einer Intensitätsschwelle, ab der das vom Schallempfänger erzeugte Ausgangssignal ausgewertet wird. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß die Intensität des Meßsignals größer ist als die des Störsignals. Dieses ist jedoch - wie oben bereits beschrieben - problematisch.

Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, das bekannte Volumendurchfluß­ meßgerät so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Messung des Volumen­ durchflusses auswertungstechnisch einfacher und zugleich zuverlässiger durchgeführt werden kann.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßleitung aus einem Material besteht, das ein von jeweils einem der Meß­ köpfe abgegebenes Schallsignal mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als die Flüssigkeit überträgt. Erfindungsgemäß ist also erkannt worden, daß bei Verwendung eines geeigneten Materials für die Meßleitung das als Stör­ signal anzusehende Schallsignal eine längere Laufzeit hat als das als Meß­ signal auszuwertende Schallsignal. Dadurch ist gewährleistet, daß in jedem Fall das auszuwertende Meßsignal vor dem Störsignal von dem jeweiligen Schallempfänger aufgenommen wird. Da die Auswertung des Meßsignals darin besteht, den Beginn des Meßsignals zu bestimmen, ist eine eventuell auf­ tretende anschließende Überlagerung des Meßsignals durch das Störsignal für die Bestimmung der Laufzeit des Meßsignals unerheblich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Volumendurchflußmeßgerätes liegt darin, daß der Meßpfad im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt werden kann, da unabhängig von der Länge des Meßpfades das Meßsignal vor dem Stör­ signal vom jeweiligen Schallempfänger aufgenommen wird. Daraus resultiert also eine kompaktere Bauweise, die Vorteile bei der Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Volumendurchflußmeßgerätes in kleinen Anlagen oder Apparaten bietet.

Vorzugsweise wird als Material für die Meßleitung Kunststoff verwendet, ins­ besondere PFA. Dabei liegt die Schallgeschwindigkeit in Kunststoff im Be­ reich von 1000 m/s, ist also deutlich geringer als die oben bereits er­ wähnte Schallgeschwindigkeit von etwa 1500 m/s für Flüssigkeiten.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszuge­ stalten und weiterzubilden, wozu einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Erläuterung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung verwiesen werden darf. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Volumendurchflußmeßgerätes und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Volumendurchflußmeßgerätes gemäß Fig. 1.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Volumendurchflußmeßgerätes 1, bei dem die Lehre der Erfindung realisiert ist, ist in den Fig. 1 und 2 darge­ stellt. Das Volumendurchflußmeßgerät 1 weist eine Meßleitung 2 auf, in die eine Flüssigkeit durch eine Zuleitung 3 hineinfließt und aus der die Flüs­ sigkeit über eine Ableitung 4 herausfließt. An einem Ende der Meßleitung 2 ist ein erster Meßkopf 5 und am anderen Ende der Meßleitung 2 ist ein zwei­ ter Meßkopf 6 angeordnet.

Erfindungsgemäß besteht nun die Meßleitung 2 aus einem Material, das das Schallsignal mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als die Flüssigkeit überträgt. Dies hat eine längere Laufzeit des Schallsignals, das über die Meßleitung 2 übertragen wird, des Störsignals, gegenüber dem über die Flüs­ sigkeit übertragenen Schallsignal, dem Meßsignal, zur Folge.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Meßleitung 2 aus Kunststoff, vorzugsweise aus PFA. Die Meßleitung 2 und die beiden Meßköpfe 5 und 6 be­ finden sich in einem rahmenartigen Meßgerätgehäuse 7, das einerseits aus Sensorgehäusen 8, andererseits aus Seitenplatten 9 gebildet ist. Dabei dienen die Sensorgehäuse 8 dem Schutz der Meßköpfe 5 und 6, während die Seitenplatten 9 der Stabilität des Volumendurchflußmeßgerätes 1 dienen. Das rahmenartige Meßgerätgehäuse 7 überträgt selbstverständlich ebenfalls das Schallsignal, so daß die Sensorgehäuse 8 und die Seitenplatten 9 eben­ falls aus Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus CTFE.

Im übrigen sind noch die Meßleitung 2 umgreifende Spannplatten 10 vorge­ sehen. Über nicht dargestellte Spannschrauben, die sich an den Spannplatten 10 abstützen und in die Sensorgehäuse 8 eingreifen, sind die Meßleitung 2 und die Sensorgehäuse 8 gegeneinander verspannt. Die Seitenplatten 10 sind mit in die Sensorgehäuse 8 eingreifenden Befestigungsschrauben 11 mit den Sensorgehäusen 8 verbunden.

Die beiden Meßköpfe 5 und 6 enthalten jeweils piezoelektrische Wandler, die in der oben beschriebenen Weise sowohl als Schallsender als auch als Schall­ empfänger funktionieren. Dazu werden die zum Betrieb des Meßkopfes 5 notwen­ digen Eingangssignale und Ausgangssignale über elektrische Leitungen 12, die über eine Kabeldurchführung 13 in das Sensorgehäuse 8 eingeführt sind, zugeführt bzw. abgeführt. In gleicher Weise geschieht dieses beim Meßkopf 6 über elektrische Leitungen 14, die über eine Kabeldurchführung 15 in das Sensorgehäuse 8 eingeführt sind.

Das Laufzeitdifferenz-Verfahren wird nun folgendermaßen durchgeführt. Zu einem gleichen Zeitpunkt wird von beiden Meßköpfen 5 und 6 ein pulsförmiges Schallsignal abgegeben, beide Meßköpfe 5 und 6 fungieren also gleichzeitig als Schallsender. Anschließend werden beide Meßköpfe 5 und 6 auf Empfang umgeschaltet, so daß sie jeweils das vom anderen Meßkopf 6 bzw. 5 abge­ gebene Schallsignal aufnehmen können.

Die in der Auswerteelektronik eingehenden Auswertesignale, die von den Meß­ köpfen 5 und 6 erzeugt worden sind, werden nun folgendermaßen ausgewertet:

Der Beginn der Erzeugung der Schallsignale mit den Meßköpfen 5 und 6 wird mit Hilfe der oben beschriebenen "Leading-edge"-Methode bestimmt und ein erster und zweiter zuvor zurückgesetzter Zähler werden in Gang gesetzt. Der erste Zähler wird angehalten, sobald ein erstes Schallsignal vom Meßkopf 6 aufgenommen wird. Der Zählerstand gibt daraufhin ein Maß für die Laufzeit t₁ des Schallsignales an, das von dem Meßkopf 5 abgegeben worden ist. In gleicher Weise wird der Zählerstand des zweiten Zählers für die Ermittlung der Laufzeit t₂ des Schallsignals verwendet, das von dem Meßkopf 6 ausge­ sendet worden ist. Da die Laufzeitdifferenz t₂-t₁ direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit ist, kann daraus der Volumendurchfluß der Flüssig­ keit berechnet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Volumendurchflußmeßgerät kann aufgrund der Tat­ sache, daß das Meßsignal - Schallsignal über die Flüssigkeit in der Meß­ leitung 2 - eine kürzere Laufzeit hat als das Störsignal - Schallsignal über die Meßleitung 2 und über das Meßgerätgehäuse 7 - jedes erste gemessene Schallsignal zur Bestimmung der Laufzeit des Meßsignals verwendet werden. Es ist daher nicht mehr notwendig, mit Hilfe von Zeitfenstern oder Signal­ schwellen wie im Stand der Technik das Störsignal zu unterdrücken. Die Mes­ sung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Meßleitung 2 ist somit erheblich vereinfacht worden.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Schallsignale nicht die Meßleitung 2 durchqueren; sie breiten sich vielmehr in Dichtung der Längs­ achse der Meßleitung 2 aus, weil ja die Meßköpfe 5 und 6 an den beiden En­ den der Meßleitung 2 vorgesehen sind.

Claims (4)

1. Volumendurchflußmeßgerät zur Messung des Volumenstromes von Flüssig­ keiten, mit einer Meßleitung (2), mit einem ersten Meßkopf (5) und mit einem zweiten Meßkopf (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (2) aus einem Material besteht, das ein von jeweils einem der Meßköpfe (5, 6) abgegebenes Schallsignal mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als die Flüssigkeit überträgt.

2. Volumendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (2) aus Kunststoff besteht, vorzugsweise aus PFA.

3. Volumendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Meßleitung (2), den Schallsender (5) und den Schallempfänger (6) aufnehmendes, vorzugsweise rahmenartiges Meßgerätgehäuse (7) vorgesehen ist.

4. Volumendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerätgehäuse (7) aus Kunststoff besteht, vorzugsweise aus CTFE.