DE4335394C2 - Ultraschalldurchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschalldurchflußmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der DE 33 31 531 A1 bekannt ist.

Im Bereich der Durchflußmeßtechnik gibt es eine Vielzahl von Geräten, die nach unterschiedlichsten Verfahren und Methoden arbeiten, z. B. klassische Durchflußmeßsysteme (Staudruck, Blende usw.), Flügelrad-Durchflußmeßsysteme, magnetisch-induk­ tive Durchflußmeßsysteme, Wirbelzähler, Coriolis-Massendurch­ flußmesser und Ultraschall-Durchflußmeßsysteme.

Die Nachteile der klassischen Durchflußmeßsysteme, wie z. B. das Blendenverfahren, sind in erster Linie der geringe Dyna­ mikbereich (10 : 1), sowie geringe Standzeiten infolge von Ver­ schmutzung und Verschleiß. Von Nachteil sind oft die Druckver­ luste, die über der Meßeinrichtung entstehen.

Flügelradzähler sind in der Durchflußmeßtechnik weit verbrei­ tet, insbesondere bei der Bestimmung von Kleinstmengen. Ihr Vorteil liegt in der kompakten Bauweise und einfachem Aufbau. Die Geräte sind kostengünstig zu fertigen und durch den gerin­ gen elektronischen Aufwand in der Lage, netzunabhängig zu ar­ beiten. Die Flügelraddrehung wird in der Regel induktiv, kapa­ zitiv oder mit Ultraschall abgetastet. Ein Nachteil dieser Ge­ räte ist die Verschmutzung der Flügelradlager.

Das magnetisch-induktive Verfahren benötigt eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Diese Geräte sind wegen ihres relativ aufwendigen Aufbaus teuer. Ein Batteriebetrieb ist wegen der Erzeugung des notwendigen starken magnetischen Wechselfeldes kaum möglich.

Wirbelzähler fordern eine ungestörte turbulente Strömung mit langen Einlaufstrecken. Sie eignen sich für Meßzwecke nur, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.

Coriolis-Massendurchflußmeßsysteme sind in der Regel sehr auf­ wendig und damit teuer. Externe Schwingungen können die Gerä­ tefunktion empfindlich beeinflussen.

Einen großen Bereich der Durchflußmeßtechnik decken heute nichtresonante Ultraschall-Verfahren ab.

Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind z. B. aus Gätke, J.: Akustische Strömungs- und Durchflußmessung. Akademie- Ver­ lag, Berlin 1991, S. 67-70 bekannt.

Die Vorteile sind:

• - es gibt keine bewegten Teile und damit kein Verschleiß
• - die Verschmutzungsprobleme sind gering
• - ein großer Dynamikbereich von 100 : 1 bis 300 : 1 ist mög­ lich
• - eine geringe Beeinflussung des Strömungsverhaltens.

Die nichtresonanten Ultraschall-Verfahren haben folgende Nach­ teile.

Die untere Meßgrenze (Empfindlichkeit, Auflösungsvermögen) wird wesentlich durch die Länge der Meßstrecke in Strömungs­ richtung bestimmt. Ausreichende Genauigkeit erfordert daher lange Meßstrecken beim Impulsverfahren. Andere kontinuierlich messende Ultraschallverfahren, welche Phasen- oder Frequenz­ differenzen auswerten, benötigen (wegen der geringen Güte der Meßzelle) ebenfalls eine lange Meßstrecke.

Im allgemeinen ist eine aufwendige Konstruktion des Meßrohres notwendig, z. B. durch spezielle Reflektoren die im Meßrohr angebracht sind um die Ultraschallwelle in gewünschter Weise umzulenken.

Die notwendige thermische Stabilität der Meßzelle hinsichtlich der Meßwertgewinnung erfordert einen hohen Aufwand bei der konstruktiven Gestaltung.

Lange Meßstrecken bedingen lange Einbaumaße oder zusätzliche Rohrkrümmungen mit Strömungsumlenkung.

Grundsätzlich stören Inhomogenitäten (z. B. Luft) im Strömungs­ mittel (ausgenommen das Dopplerverfahren: hier sind sie notwen­ dig).

Aus der US 4,130,018 ist ein Ultraschallwandler zur Füllstandsmessung bei Flüssigkeiten bekannt, der mit zwei Schichten zur optimalen Auskopplung von Energie versehen ist. Für den Betrieb im Zusammenwirken mit einem Resonator ist die­ ser Wandler nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschalldurchflußmesser so auszugestalten, daß auch kleine Volumenströme mit einem kleinen Meßvolumen genau erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Die übrigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung.

Mit der Erfindung sind folgende besondere Vorteile zu erzie­ len:

• - die Resonanztechnik mit hoher Güte der Meßzelle ermöglicht wesentlich kürzere Meßstrecken bei gleichzeitiger Steige­ rung der Empfindlichkeit und des Auflösungsvermögens des Meßsystems
• - insgesamt kleinere Abmessungen der Meßzelle, Mehrfachre­ flexionen sind nicht notwendig,
• - die einfache und kurze Meßzellenkonstruktion läßt sich leichter thermisch stabilisieren,
• - die gerade Streckenführung stört die Strömung weniger,
• - die Meßzelle ist kostengünstiger herstellbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbei­ spiele mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Die

Fig. 1 zeigt einen schematischen Ultraschallwandler. Die

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Durchflußmeßanordnungen. Die

Fig. 4 und 5 zeigen Spektren eines Resonators und die

Fig. 6 und 7 Blockschaltbilder der elektronischen Signalaufbereitung für zwei Ultraschalldurchflußmesser.

Um akustische Resonanzen im Fluid erzeugen zu können, ist es notwendig, die Ultraschall-Wandler zu modifizieren.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen modifizierten Ultraschall­ wandler 1. Der Aufbau unterscheidet sich von bekannten Ausfüh­ rungen dadurch, daß auf der Frontseite des Piezoschwingers 2 eine zusätzliche Dämpfungsschicht 4 mit besonderen akustischen Eigenschaften aufgebracht wird. Eine Übergangsschicht 3 ge­ währleistet die akustische Anpassung von Piezo und Dämp­ fungsschicht. Außerdem werden die Piezoschwinger 2 durch einen Dämpfungskörper 5 auf der Rückseite bedämpft, um eine größere Bandbreite des Schwingers zu erzielen. Dies ist für sogenannte Impulswandler in der Ultraschall-Werkstoffprüfung bekannt.

Den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschalldurchflußmessers zeigt Fig. 2. Zwei Ultraschall-Wandler 1 sind mit parallelen Frontseiten so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein Resonanzraum 8 entsteht, der von dem flüssigen Medium durch­ strömt wird, wobei der Resonanzraum 8 einen Teil des Strö­ mungskanals 7 bildet. Die Resonatorlänge sollte nicht größer sein als 40 Wellenlängen des zur Messung verwendeten Ultra­ schalls. Mit Resonatoren von 20 Wellenlängeneinheiten lassen sich gute Ergebnisse erzielen.

Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines weiteren Ul­ traschalldurchflußmessers. Zwei weitere Ultraschall-Wandler 1 sind mit parallelen Frontseiten so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein möglichst gleicher Resonanzraum 8 entsteht wie bei den beiden anderen Ultraschall-Wandlern, wobei die Be­ träge der Winkel zwischen der Strömungsrichtung und jeder der Resonatorachsen gleich sind.

Wird einer der Ultraschall-Wandler (Sender) monofrequent ange­ regt, entstehen im Strömungsmittel ("Medium") Überlagerungen von hin- und rücklaufender Schallwelle. Sie sind weitgehend unabhängig von der Charakteristik der Schallquelle und werden im wesentlichen durch die Geometrie des Resonators und die Schallkenngrößen des Mediums (Dichte, Schallgeschwindigkeit) bestimmt. Am gegenüberliegenden Ultraschall-Wandler (Empfän­ ger) werden die akustischen Signale nachgewiesen.

Das Material und die Dicke der Dämpfungsschicht haben einen entscheidenden Einfluß auf die Charakteristik der Resonanzkur­ ven (Dämpfung, Bandbreite, Kopplung usw.); sie können an die jeweilige Anforderung der Meßaufgabe angepaßt werden.

Für die akustische Ankopplung an das Meßmedium ist das Ver­ hältnis der Schallwiderstände von Dämpfungsschicht [Z(s)] und strömenden Medium [Z(w)] von Bedeutung. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Meßanordnung werden durch die Güte des Resonators bestimmt: scharfe Resonanzen reagieren empfindlich auf geringe Verstimmungen. Umgekehrt kann bei gleicher Empfindlichkeit mit einer Resonanzanordnung hoher Güte die Länge der Meßstrecke entsprechend verkürzt werden. Beispielsweise können beim Übergang der Schallwelle von Stahl in Wasser mit den Schallwiderständen [Z(s) = 45·10⁶ kg/m² s] und [Z(w) = 1,5·10⁶ kg/m² s] Bandbreiten von 2-4 KHz erzielt werden.

Beispielsweise für Anwendungen, bei denen geringe Güte erfor­ derlich sind, kommen Materialien wie Glas, Aluminium oder Ke­ ramik für die Dämpfungsschicht zum Einsatz. Für mittlere bis hohe Güten (100-1000) wird bevorzugt Edelstahl, Kupfer, Alu­ miniumoxid, Platin oder Wolfram eingesetzt. Insbesondere eignet sich Edelstahl für die Ausführung der Dämpfungsschicht, da Güten von 200-400, mit Wasser als Strömungsmittel, er­ reicht werden können.

Die Dicke der Dämpfungsschicht und der Übergangsschicht muß kleiner 1/4 gewählt werden, da ansonsten unerwünschte Resonan­ zen in diesen Schichten erzeugt werden. 1 bedeutet dabei die Ultraschall-Wellenlänge. Die akustische Impedanz der Über­ gangsschicht 3 liegt zwischen der des Meßmediums und der der Dämpfungsschicht 4.

Um den Durchstimmbereich des akustischen Resonators auf den Meßzweck anzupassen, ist es erforderlich die Piezokeramik auf der Rückseite zu bedämpfen. Durch eine entsprechende Dimen­ sionierung des Dämpfungskörpers (Material, Dicke) ist es mög­ lich die Bandbreite der Ultraschall-Wandler in gewünschter Weise zu optimieren.,

Fig. 4 zeigt das Spektrum eines Resonators im Frequenzbereich von 100 KHz bis 2 MHz. Dabei besteht die Übergangsschicht aus Epoxidharz. Die Schichtdicke beträgt 100 µm. Die Dämpfungs­ schicht 4 besteht aus Kupfer. Die Schichtdicke beträgt 80 µm.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt des Spektrums aus Fig 4 ver­ größert dargestellt.

Der Abstand zweier hier dargestellter Resonanzen, wird umso kleiner, je größer die Resonatorlänge wird.

Eindeutige Meßbedingungen ergeben sich daher nur, wenn der Ab­ stand zweier aufeinanderfolgender Resonanzen doppelt so groß ist, wie die Frequenzverschiebung, welche durch den Meßeffekt bewirkt wird.

Die Resonatorlänge sollte daher im Hinblick auf die zu er­ wartende Frequenzverschiebung optimiert werden.

Bei den Ultraschall-Laufzeitverfahren wird der Mitführeffekt ausgenutzt, d. h., durch das strömende Medium wird die Laufzeit der Schallwelle verändert. Es wird im wesentlichen zwischen zwei Betriebsarten, Impulsbetrieb oder kontinuierlicher Be­ trieb, unterschieden.

Bei kontinuierlichem Betrieb läßt sich eine deutliche Verbes­ serung des Auflösungsvermögens dadurch erreichen, daß die üb­ licherweise eingesetzten Meßzellen niedriger Güte durch Meß­ zellen hoher Güte ersetzt werden. Bei gleicher Phasenempfind­ lichkeit der Elektronik wird die relative Phasenänderung dj/dv durch die hohe Güte der Meßzelle vergrößert (akustische Reso­ nanz). Bei entsprechend hoher Güte läßt sich für konstante Empfindlichkeit des Gesamtsystems die Länge der Meßstrecke re­ duzieren.

Die Meßanordnung wird mit einem sinusförmigen Signal betrieben und auf eine Resonanzfrequenz abgeglichen. Die durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums verursachte Lauf­ zeitänderung des Ultraschallsignals bewirkt eine Verstimmung des Resonators, die am Empfänger als Phasenverschiebung (Pha­ senmessung) zu messen ist.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Sendefrequenz, durch Ausregeln der Phasendifferenz, auf die neue Resonanzfre­ quenz einzustellen (j = 0°, Frequenzmessung). Dabei ist j der Phasenwinkel. Die Frequenzverschiebung ist in diesem Fall ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

Bei den zuvor beschriebenen Methoden wird vorausgesetzt, daß die Schallgeschwindigkeit des Fluids sich nicht nennenswert ändert. Um Temperatur- und Druckeinflüsse eliminieren zu kön­ nen, wird eine Differenzmessung durchgeführt.

Aus der Literatur sind Methoden bekannt, die mit dem Prinzip der Differenzbildung arbeiten, beispielsweise das Phasendif­ ferenz- oder Frequenzdifferenzverfahren. Dazu werden entweder zwei Sensoren abwechselnd als Sender bzw. Empfänger betrieben (Fig. 2), oder es werden zwei Anordnungen gegenläufig benutzt (Fig. 3). Letzteres hat den Vorteil, daß dann Phasen bzw. Fre­ quenzen in beiden Richtungen gleichzeitig bestimmt werden kön­ nen.

Das vorliegende Verfahren zur Bestimmung der Durchflußge­ schwindigkeit nutzt die durch den Mitführeffekt entstehenden Frequenzverschiebungen einer festen Meßstrecke (Weglängen­ regelschleife, lambda locked loop, LLL).

Insbesondere wird jeweils auf eine Frequenz geregelt, bei der Resonanz auftritt, also ein ganzes Vielfaches der Schallwel­ lenlänge 1/2 zwischen Sender und Empfänger. Die Differenz der Resonanzfrequenzen f₁ und f₂ der Welle mit den Geschwindig­ keitskomponenten in bzw. gegen die Strömungsrichtung wird ent­ weder durch Umschalten der Senderichtung ermittelt oder im Zweistreckenbetrieb direkt erzeugt.

Die Strömungsgeschwindigkeit v kann dann nach Gleichung 1 be­ rechnet werden und nach Gleichung 2 der gesuchte Volumenstrom

Dabei bedeuten:
b = Sensorwinkel
A = Rohrquerschnittsfläche
K = Kalibrierfaktor

Die Frequenzverschiebung der Resonanzkurve wird mit Hilfe des LLL-Verfahrens ausgewertet. Die elektronische Signalaufberei­ tung muß in der Lage sein, die Phase auszuregeln (j = 0°), sowie selektiv eine Resonanz zu separieren. Dies wird mit einem Pha­ senregelkreis (PLL) erreicht, der gleichzeitig als Bandfilter (Tracking-Filter) benutzt wird.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild der elektronischen Signalauf­ bereitung für den Einstreckenbetrieb mit zwei Sensoren (US1, US2). Die Schalter S1 und S2 schalten die Senderichtung um. Das Empfängersignal wird verstärkt und einer PLL zugeführt. Die PLL hat die Aufgabe, eine Frequenz auszuregeln, bei der Resonanz auftritt. Nach Ablauf der halben Meßzeit werden die Sensoren umgeschaltet. Die jeweilige Frequenzmessung erfolgt mit einem Zählerbaustein, so daß nach Ablauf einer Meßperiode am Zählerausgang die Differenzfrequenz f₂-f₁ als digitales Wort zur Verfügung steht.

In Fig. 7 ist die Signalaufbereitung für den Zweistreckenbe­ trieb dargestellt. Der Aufbau der Elektronik unterscheidet sich im wesentlichen von der oben genannten Ausführung da­ durch, daß die Umschaltung entfällt und jedem Sensorpaar eine vollständige Signalaufbereitung folgt.

Die von PLL1 und PLL2 erzeugten Frequenzen werden gleichzeitig mit Hilfe des Mischers M verarbeitet. Am Mischerausgang steht die gewünschte Differenzfrequenz f₂-f₁ zur weiteren Aufbe­ reitung und Auswertung an.

Claims (8)

1. Ultraschallwandlern, welche einander gegenüberliegend schräg zur Durchflußrichtung des Mediums angeordnet sind und einem Meßraum gekennzeichnet durch:

   • a) eine Dämpfungsschicht (4) für jeden der Ultraschallwand­ ler (1), deren Schallwiderstand 5 bis 120 mal größer ist als der der Probenflüssigkeit,
   • b) eine Übergangsschicht (3) für jeden der Ultraschallwand­ ler (1), deren Schallwiderstand zwischen dem der Dämp­ fungsschicht (4) und dem der Probenflüssigkeit liegt, und
   • c) einen akustischen Resonanzraum (8) als Meßraum, wobei die Charakteristik der Resonanzkurven durch das Material und die Dicke der Dämpfungsschicht (4) eingestellt sind.
2. 2. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Ultraschallwandler (1) einen Dämpfungs­ körper (5) enthält.
3. 3. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Dämpfungsschicht (4) höchstens 1/4 der Ultraschallwellenlänge beträgt.
4. 4. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Übergangs­ schicht (3) höchstens 1/4 der Ultraschallwellenlänge be­ trägt.
5. 5. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Dämpfungskörper (5) die Güte der Ultraschallwandler (1) auf einen Wert kleiner als 10 eingestellt ist.
6. 6. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwiderstand der Dämpfungsschichten (4) mindestens 35 mal größer ist als der der Probenflüssigkeit.
7. 7. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Resonanzraumes (8) besser ist als 40.
8. 8. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Resonanzraumes (8) besser ist als 200.