DE4330363C2 - Volumendurchflußmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumendurchflußmeßgerät zur Messung des Volumen­ durchflusses von Flüssigkeiten, das nach dem Laufzeitdifferenz-Verfahren arbeitet, mit einer Meßleitung, mit einem ersten Meßkopf und mit einem zweiten Meßkopf, wobei der erste Meßkopf und der zweite Meßkopf ohne Kontakt mit der Flüssigkeit außen auf der Meßleitung befestigt sind.

Für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie ist die genaue Bestimmung des Volumendurchflusses einer Flüssigkeit durch eine Meßleitung notwendig. Das Volu­ men einer Flüssigkeit kann aus dem Leitungsquerschnitt der Meßleitung und der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit berechnet werden. Dabei ist die Bestimmung des Leitungsquerschnittes einfach, der Leitungsquerschnitt nämlich fest vorgegeben. Für die Genauigkeit der Volumendurchflußmessung ist also die Genauigkeit der Mes­ sung der Fließgeschwindigkeit entscheidend. Denn einerseits muß der Meßwert der Fließgeschwindigkeit möglichst genau sein und andererseits kann es notwendig sein, eine kontinuierliche bzw. in möglichst kurzen Zeitabständen wiederkehrende Mes­ sung durchzuführen, da kurzzeitige Schwankungen in der Fließgeschwindigkeit auf­ treten können. Damit diese Schwankungen in die Berechnung des Volumendurch­ flusses über einen längeren Zeitraum eingehen, wird die Bestimmung des gesamten Volumendurchflusses durch Aufsummierung des Volumendurchflusses innerhalb je­ weils kurzer Zeitintervalle durchgeführt.

Die Messung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird im Stand der Technik (H. Bernard "Ultraschall-Durchflußmessung" in "Das Handbuch für Ingenieure", Bonfig/Bartz/Wolff, Zweite Ausgabe), von dem die Erfindung ausgeht, mit Hilfe der Übertragung eines Schallsignals über einen fest vorgegebenen Meßpfad durchge­ führt. Dabei ergibt sich die Laufzeit des Schallsignals auf dem Meßpfad von einem Schallsender zu einem Schallempfänger in der Flüssigkeit aus der Schallgeschwindig­ keit und der Fließgeschwindigkeit (Mitführung). Daraus ist das Prinzip der Schall- Durchflußmessung nach dem Laufzeitdifferenz-Verfahren abgeleitet. In der Flüssig­ keit werden Schallsignale wechselweise oder gleichzeitig stromauf und stromab ge­ sendet. Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit erreichen die Schallsignale bei gleich langem Meßpfad stromauf die Schallempfänger nach unter­ schiedlichen Laufzeiten t₁ und T₂. Die Differenz t₂-t₁ ist ein Maß für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem durch Schallsender und Schallempfänger gebilde­ ten Meßpfad. Die Schallsender werden durch eine elektrische Spannung zum Schwingen angeregt und geben ein Schallsignal in die Flüssigkeit ab. Die Schallemp­ fänger nehmen dieses Signal nach Durchlaufen des Meßpfades auf und verwandeln es in eine elektrische Spannung. Aus den dabei erfaßten Schallsignallaufzeiten wird die Laufzeitdifferenz ermittelt, die proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssig­ keit in der Meßleitung ist.

Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, werden zwei Meßköpfe derart an einer Meßleitung angebracht, daß ihre Verbindungslinie eine Komponente parallel zur Fließgeschwindigkeitsrichtung aufweist. Die Meßköpfe werden dabei ohne Kon­ takt mit der Flüssigkeit von außen auf der Meßleitung befestigt; sie enthalten jeweils einen piezoelektrischen Wandler, mit dem das für die Durchflußmessung erforderliche Schallsignal erzeugt (Schallsender) und aufgenommen (Schallempfänger) wird. Legt man an die beiden mit einer elektrisch 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 Vor­ gang ist umkehrbar, so daß vom Schallsender durch die Flüssigkeit laufende Schall­ signal an einem piezoelektrischen Wandler des zweiten Meßkopfes eine Dicken­ schwingung erzeugen, die in dem piezoelektrischen Wandler eine elektrische Wech­ selspannung erzeugt. Diese wird durch elektronische Elemente verstärkt und weiter­ verarbeitet.

Des weiteren wird im Stand der Technik zur Durchführung des Laufzeitdifferenz-Ver­ fahrens die direkte Laufzeitmessung mit Hilfe der "Leading-edge"-Methode verwen­ det. Dazu wird ein genau definiertes, pulsförmiges Schallsignal vom ersten Meßkopf zum zweiten Meßkopf gesendet, wobei zur Messung der Laufzeit t₁ nur die erste steile, genau definierbare Flanke des pulsförmigen Schallsignals benutzt wird. Gleich­ zeitig wird vom zweiten Meßkopf ein Schallsignal zum ersten Meßkopf gesendet und in gleicher Weise die Laufzeit t₂ gemessen. Die Laufzeitdifferenz t₂-t₁ ist direkt li­ near proportional der mittleren Fließgeschwindigkeit, wobei andere Parameter, wie z. B. die temperaturabhängige Dichte und Viskosität, nicht in die Messung eingehen.

Zusätzlich zu dem von der Flüssigkeit übertragenen Schallsignal als Meßsignal tritt ein Schallsignal als Störsignal auf, das durch die Übertragung des Schallsignals über das Material der Meßleitung auftritt. Bei den bekannten Volumendurchflußmeßgerä­ ten besteht die Meßleitung aus Metall, in dem die Schallgeschwindigkeit größer ist als in der Flüssigkeit. Denn bei Metallen liegt die Schallgeschwindigkeit im Bereich von 4.000-5.000 m/s und bei Flüssigkeiten im Bereich von 1.500 m/s. Das als Störsignal anzusehende 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 Meß­ signals auf, der - wie oben beschrieben - als Maß für die Bestimmung der Laufzeit verwendet wird. Die Intensität des Störsignals ist in der Regel gleich groß oder größer als das Meßsignal, da das Schallsignal sehr gut durch Metall übertragen wird. Dieser Umstand erschwert zusätzlich die Bestimmung der Laufzeit des Meßsignals.

Im Stand der Technik ist auf verschiedene Weise versucht worden, das Störsignal auswertungstechnisch zu unterdrücken. Eine Möglichkeit besteht darin, daß ein zeit­ liches 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 ge­ währleistet sein, daß in jedem Fall ein ausreichender Laufzeitunterschied zwischen dem Störsignal und dem Meßsignal besteht. Im Stand der Technik muß also bei den bekannten Volumendurchflußmeßgeräten ein ausreichend langer Meßpfad vorhan­ den sein. Eine weitere Möglichkeit der Unterdrückung des Störsignals besteht in dem Anlegen einer Intensitätsschwelle, ab der das vom Schallempfänger erzeugte Aus­ gangssignal ausgewertet wird. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß die Intensi­ tät des Meßsignals größer ist als die des Störsignals. Dieses ist jedoch - wie oben be­ reits beschrieben - problematisch.

Im übrigen sind Volumendurchflußmeßgeräte zur Messung des Volumendurchflusses von Flüssigkeiten bekannt, die nach dem Laufzeitdifferenz-Verfahren arbeiten, zu denen eine Meßleitung, ein erster Meßkopf und ein zweiter Meßkopf gehören und bei denen die Meßköpfe innerhalb der Meßleitung, also mit Kontakt zur Flüssigkeit, angeordnet sind (vgl. die deutsche Auslegeschrift 26 48 718 und die PCT-Offenle­ gungsschrift WO 86/02.723). Dabei haben die Meßleitungen eine Innenwand-Aus­ kleidung aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyamid (deutsche Auslegeschrift 26 48 718) oder aus Polysulfon (PCT-Offenlegungsschrift WO 86/02.723). Die In­ nenwand-Auskleidung dient dazu, Schallreflektionen zu vermeiden, zumindest zu re­ duzieren.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte Volumendurchflußmeß­ gerät, von dem die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Messung des Volumendurchflusses auswertungstechnisch einfacher und zugleich zu­ verlässiger durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Volumendurchflußmeßgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung aus einem Material besteht, das ein von jeweils einem der Meßköpfe abgegebenes Schallsignal mit einer geringeren longitudinalen Schallgeschwindigkeit als die Flüs­ sigkeit überträgt. Erfindungsgemäß ist also erkannt worden, daß bei Verwendung ei­ nes geeigneten Materials für die Meßleitung das als Störsignal anzusehende Schall­ signal eine längere Laufzeit hat als das als Meßsignal auszuwertende Schallsignal. Dadurch ist gewährleistet, daß in jedem Fall das auszuwertende Meßsignal vor dem Störsignal von dem jeweiligen Schallempfänger aufgenommen wird. Da die Auswer­ tung des Meßsignals darin besteht, den Beginn des Meßsignals zu bestimmen, ist eine evtl. auftretende 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 un­ abhängig von der Länge des Meßpfades das Meßsignal vor dem Störsignal vom je­ weiligen Schallempfänger aufgenommen wird. Daraus resultiert also eine kompaktere Bauweise, die Vorteile bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Volumendurch­ flußmeßgerätes in kleinen Anlagen oder Apparaten bietet.

Vorzugsweise wird als Material für die Meßleitung Kunststoff verwendet, insbeson­ dere PFA (PFA = Perfluor-Alkoxy-Polymere). Dabei liegt die Schallgeschwindigkeit in Kunststoff im Bereich von 1.000 m/s, ist also deutlich geringer als die oben bereits erwähnte Schallgeschwindigkeit von etwa 1.500 m/s für Flüssigkeiten.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden, wozu einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Erläuterung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung verwiesen werden darf.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Volumendurchflußmeßgerätes und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Volumendurchflußmeßgerätes ge­ mäß Fig. 1.

Das in den Figuren dargestellte 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 er­ ster Meßkopf 5 und am anderen Ende der Meßleitung 2 ist ein zweiter Meßkopf 6 angeordnet; die Meßköpfe 5, 6 sind ohne Kontakt mit der Flüssigkeit außen auf der Meßleitung 2 befestigt.

Erfindungsgemäß besteht nun die Meßleitung 2 aus einem Material, das ein von je­ weils einem der Meßköpfe 5, 6 abgegebenes Schallsignal mit einer geringeren longi­ tudinalen Schallgeschwindigkeit als die Flüssigkeit überträgt. Dies hat eine längere Laufzeit des Schallsignals, das über die Meßleitung 2 übertragen wird, des Stör­ signals, gegenüber dem über die Flüssigkeit übertragenen Schallsignal, dem Meß­ signal, zur Folge.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Meßleitung 2 aus Kunststoff, vor­ zugsweise aus PFA. Die Meßleitung 2 und die beiden Meßköpfe 5 und 6 befinden sich in einem rahmenartigen Meßgerätgehäuse 7, das einerseits aus Sensorgehäu­ sen 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 über­ trägt selbstverständlich ebenfalls das Schallsignal, so daß die Sensorgehäuse 8 und die Seitenplatten 9 ebenfalls aus Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus PCTFE (PCTFE = Polychlortrifluoräthylene).

Im übrigen sind noch die Meßleitung 2 umgreifende Spannplatten 10 vorgesehen. 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 9 sind mit in die Sensorgehäuse 8 ein­ greifenden 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 Schallempfänger funktionieren. Dazu werden die zum Betrieb des Meßkopfes 5 notwendigen Ein­ gangssignale und Ausgangssignale über elektrische Leitungen 12, die über eine Ka­ beldurchführung 13 in das Sensorgehäuse 8 eingeführt sind, zugeführt bzw. abge­ führt. In gleicher Weise geschieht dies beim Meßkopf 6 über elektrische Leitun­ gen 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 umge­ schaltet, so daß sie jeweils das vom anderen Meßkopf 6 bzw. 5 abgegebene Schall­ signal aufnehmen können. Die in der Auswerteelektronik eingehenden Auswerte­ signale, die von den Meßköpfen 5 und 6 erzeugt worden sind, werden nun folgen­ dermaßen 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 Schallsignals 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 ausgesendet worden ist. Da die Laufzeitdifferenz t₂-t₁ direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit ist, kann daraus der Volumendurchfluß der Flüssigkeit berechnet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Volumendurchflußmeßgerät kann aufgrund der Tatsa­ che, daß das Meßsignal - Schallsignal über die Flüssigkeit in der Meßleitung 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 Signalschwellen wie im Stand der Technik das Störsignal zu unterdrücken. Die Messung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Meß­ leitung 2 ist somit erheblich vereinfacht worden.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Schallsignale nicht die Meßleitung 2 durchqueren; sie breiten sich vielmehr in Richtung der Längsachse der Meßleitung 2 aus, weil ja die Meßköpfe 5 und 6 an den beiden Enden der Meßleitung 2 vorgese­ hen sind.

Claims (4)

1. Volumendurchflußmeßgerät zur Messung des Volumendurchflusses von Flüssigkei­ ten, das nach dem Laufzeitdifferenz-Verfahren arbeitet, mit einer Meßleitung (2), mit einem ersten Meßkopf (5) und mit einem zweiten Meßkopf (6), wobei der erste Meß­ kopf (5) und der zweite Meßkopf (6) ohne Kontakt mit der Flüssigkeit außen auf der Meßleitung (2) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (2) aus einem Material besteht, das ein von jeweils einem der Meßköpfe (5, 6) abgegebenes Schallsignal mit einer geringeren longitudinalen Schallgeschwindigkeit als die Flüs­ sigkeit überträgt.

2. Volumendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (2) aus Kunststoff besteht, vorzugsweise aus PFA (PFA = Perfluor- Alkoxy-Polymere).

3. Volumendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Meßleitung (2), den ersten Meßkopf (5) und den zweiten Meßkopf (6) auf­ nehmendes, vorzugsweise rahmenartiges Meßgerätgehäuse (7) vorgesehen ist.

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