DE4336369C1 - Vorrichtung zur Durchflußmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Massendurchflußmesser auf der Ba­ sis eines Ultraschalldurchflußmessers.

Bei der Durchflußmessung von bewegten flüssigen oder gasförmi­ gen Medien (Fluiden) mit Ultraschall besteht das Problem, daß das vom Empfänger (Ultraschallwandler) gelieferte Meßsignal nicht nur vom Durchfluß, sondern auch vom jeweiligen Strömungsprofil im Meßrohr und der Art des durchströmenden Fluids abhängt. Je nach Strömungsgeschwindigkeit ergeben sich verschiedene Strömungsprofile. Das in Fig. 1a gezeigte laminare Strömungsprofil in einem Rohr mit viereckigem Querschnitt tritt bei langsamer Strömungsgeschwindigkeit auf. Die im Inneren des Rohres eingezeichneten Linien veranschauli­ chen Bereiche gleicher Strömungsgeschwindigkeit. Laminare Strö­ mungsprofile können durch eine parabolische Form, vgl. Fig. 1c, beschrieben werden. Die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten treten in der Rohrmitte auf. Je größer der Durchfluß, also je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto mehr nähert sich das Strömungsprofil einer Kastenform an. Fig. 1b zeigt ein turbulentes Strömungsprofil, das bei hohen Strömungsgeschwin­ digkeiten auftritt. In weiten Bereichen des Rohres bleibt die Strömungsgeschwindigkeit in etwa gleich.

Die bisher bekannten Ultraschallwandler haben eine annähernd gaußförmige Empfindlichkeitsverteilung. Die maximale Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers liegt in dessen Zentrum. Zum Rand hin nimmt sie stark ab. Zusätzlich wird die Empfindlichkeit durch die Rohrwandeigenschaften stark beeinflußt, wenn durch die Rohrwand eingestrahlt wird.

Beschallt man nun mit einem Ultraschallwandler in einem Strö­ mungskanal das bewegte Medium, wie dies aus der DE 40 10 148 A1 bekannt ist, um aus der Schallaufzeit oder mittels des Dopplereffekts die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, so wird, insbesondere bei laminarem Strömungsprofil, die in der Strömungskanalmitte auftretende höchste Strömungsgeschwindig­ keit stärker bewertet als die am Rand des Strömungskanals auftretende niedrigere Strömungsgeschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß sich für jedes Strömungsprofil und für jedes Fluid eine eigene Meßkennlinie ergibt, was zu einer aufwendigen Auswerteeinheit führt.

Weiterhin ist bei dem in der DE 40 10 148 A1 beschriebenen Durchflußmesser von Nachteil, daß das Ultraschallsignal sich aufgrund des Meßrohraufbaus nicht nur w-förmig, sondern auch auf einem parasitären v-förmigen Weg ausbreiten kann und des­ halb zusätzliche Maßnahmen zur Unterdrückung der daraus re­ sultierenden Signalanteile erforderlich sind.

In der EP 02 18 293 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Bestimmung der Geschwindigkeit, Richtung und anderen Flußgrößen, insbesondere des Gasflusses, angegeben. Ein stark gedämpftes akustisches Signal wird mittels eines ersten Wand­ lers in eine erste Richtung durch die Strömung in Richtung eines zweiten Wandlers ausgesandt, welcher ein gedämpftes elektrisches Signal erzeugt. Die erste Auslenkung des elek­ trischen Signals wird mit einem Schwellwert verglichen, wel­ cher niedriger als der Maximalwert der besagten Auslenkung ist. Eine Überschreitung des Schwellwertes wird dazu genutzt, das Ende der Zeitmeßperiode, die beim Aussenden des akusti­ schen Signals gestartet wurde, anzuzeigen. Ein Reflexionskör­ per wird gegenüber dem ersten Wandler angeordnet, um die aku­ stischen Impulse, die von dem ersten Wandler ausgesandt wur­ den, durch die Strömung in verschiedene Richtungen zu einem oder mehreren weiteren Wandlern zu reflektieren.

L.C. Linworth beschreibt in "Ultrasonic Measurements for Process Control" Academic Press, San Diego, 1989, auf den Seiten 288 ff Durchflußmesser, deren Meßrohr mit einem Ultra­ schallsendewandler und einem Ultraschallempfangswandler ver­ sehen ist. Die Abstrahl- und Empfangsflächen der Ultraschall­ wandler sind derart abgeschrägt, daß der abgestrahlte Schall je nach Ausführungsform an einer, zwei oder vier Reflexions­ stellen im Meßrohr reflektiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine höhere Meßgenauigkeit hat und deren Meßsi­ gnal nurmehr vom Durchfluß und nicht mehr von der Art des verwendeten Fluids und dem vorliegenden Strömungsprofil ab­ hängt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die vom Zentrum des Ul­ traschallwandlers ausgehenden US-Wellen, mit Hilfe von Reflektoren in Richtung der Seitenwände des Strömungskanals abgelenkt und dadurch aus dem Hauptstrahlengang ausgeblendet werden. Sie erreichen den Empfangswandler daher zu einem späteren Zeitpunkt und tragen so weniger zum Meßsignal bei. Die Empfindlichkeitsverteilung der Ultraschallwandler wird ausgemittelt. Es kommt zu einer gleichmäßigen Bewertung der im Strömungskanal vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1a, b, c zeigt ein laminares und ein turbulentes Strö­ mungsprofil im Strömungskanalquerschnitt und mögliche Strömungsprofile im Strömungskanal in der Seitenansicht.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Meßvorrichtung.

Fig. 3 zeigt in der Dreiseitenansicht die Form eines Reflektors, wie er auch im Strömungskanal angebracht ist.

Fig. 4 und 5 zeigen weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Ultraschallwandler.

An den Wänden des in beliebiger Richtung F durchflossenen Strö­ mungskanals SK (vergl. Fig. 2) sind zwei in alternierender Folge als Sender und Empfänger arbeitende Ultraschallwandler USW1 und USW2 angeordnet. Die den Ultraschallwandlern USW1 und USW2 gegenüberliegende Seite des Strömungskanals SK ist wannenförmig ausgebildet. Auf den um einen Winkel ϕ geneigten Seitenflächen der Wanne sind jeweils ein ebener Reflektor RE1, RE2 angeordnet, wobei jeder dieser Reflektoren RE1 bzw. RE2 in seither Mitte ein in Fig. 3 dargestelltes Reflektorelement R1, R2 trägt. Der Winkel ϕ bestimmt sich aus dem US-Wandlerabstand und der Strömungskanalhöhe. Das vom Wandler USW1 senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eingestrahle US-Signal trifft also zunächst auf den Reflektor RE1, wird an der Decke SKD des Strömungskanals SK reflektiert und von dem zweiten Reflektor RE2 in Richtung des als Empfänger arbeitenden US-Wandlers USW2 umgelenkt (w-förmiger Schallweg). Die vom Zentrum des Ultraschallwandlers USW1 ausgehenden US-Wellen treffen hingegen auf das Reflektorelement R1 und werden in Richtung der Seitenwände SW des Strömungskanals SK abgelenkt. Die auf diese Weise aus dem w-förmigen Hauptschallweg ausgeblendeten Ul­ traschallwellen erreichen zu einem späteren Zeitpunkt den Emp­ fänger und tragen so weniger zum Meßsignal bei. Durch diese Maßnahme erreicht man eine gleichmäßigere Bewertung der sich im Strömungskanal SK einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten.

Als geeignete Geometrie für die Reflektorelemente R1 und R2 hat sich die in Fig. 3 gezeigte Form erwiesen. Die Reflektorelemente R1, R2 haben einen dreieckförmigen Querschnitt, vorteilhafterweise ist er als gleichschenkeliges Dreieck ausgebildet. Mit der Basisfläche BF werden die Reflektorelemente R1, R2 auf den ebenen Reflektoren RE1 und RE2 mittig montiert, wenn der Querschnitt die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks hat. Grundsätzlich ist die Montageposition abhängig von der Querschnittsform der Reflektorelemente R1, R2. Die Reflektorkanten beschreiben in der Seitenansicht ein Parallelogramm. Die Seitenlängen l₁ und l₂ sind deshalb gleich lang. Der spitze Winkel α wurde so ge­ wählt, daß die kurze Seite der Reflektorelemente R1, R2 mit dem Strömungskanalboden SKB eben verläuft.

Im in der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein viereckiger Strömungskanalquerschnitt gewählt. Genausogut ist ein runder oder ovaler Querschnitt denkbar.

Im nachfolgenden sind Variationsmöglichkeiten zum Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung angegeben:

• - Wandler verschiedener Durchmesser
• - Aufgesetzte und/oder eingesetzte Wandler
• - Kombination mit Strahlführungen in "V", "W" oder anderer Zickzack Form.
• - quadratischer Strömungskanalquerschnitt
• - rechteckiger Strömungskanalquerschnitt
• - Polygonströmungskanalquerschnitt (z . B. Sechseck)
• - ovaler oder runder Strömungskanalquerschnitt
• - kombinierte Strömungskanalquerschnitte
• - Sende- u. Empfangswandler auf einer Seite des Strömungskanals
• - Sende- u. Empfangswandler gegenüberliegend
• - Sende- u. Empfangswandler axial versetzt (siehe Fig. 5)
• - mehrere Sende- u. Empfangswandler verteilt auf verschiedenen Wänden des Strömungskanals (siehe Fig. 4).

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist nicht nur für die Durchflußmessung verschiedenster Flüssigkeiten geeignet, son­ dern auch für die Durchflußmessung verschiedenster Gase und auch für die, als Wärmezähler bezeichneten, Wasser-Durchfluß­ messer in Heiz-/Kühlsystemen.

Die Vorrichtung zur Durchflußmessung zeigt bereits unter Verwendung von nur einem ebenen Reflektor mit aufgesetztem Reflektorelement eine verbesserte Meßgenauigkeit. So ist es nicht zwingend erforderlich den zweiten Reflektor RE2 ebenfalls mit einem dreiecksförmigen Reflektorelement auszustatten.

Die Reflektoren RE1, R1 bzw. RE2, R2 können aus Metall oder aus Kunststoff, vorteilhafter Weise aus einem spritzgußfähigem Kunststoff, bestehen. Nicht geeignet sind weiche Materialien wie z. B. Gummi.

Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit läßt sich durch eine Serienschaltung zweier Meßvorrichtungen erzielen. Die zweite Meßvorrichtung ist dabei um 90° um die Längsachse des Strömungskanals SK gegenüber der ersten Meßvorrichtung gedreht. Sinnvoller Weise wird ein derartiger Aufbau dann gewählt, wenn das Fluid schraubenförmig durch den Strömungskanal SK strömt, was beispielsweise durch zwei aufeinander folgende Leitungskrümmer verursacht werden kann.

Geeignete Ultraschallwandler haben vorteilhafter Weise einen Durchmesser im Bereich von 10 . . . 20 mm. Die Betriebsfrequenz liegt bei ca. 2 MHz.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Durchflußmessung

• - bei der ein Strömungskanal (SK) mit einem ersten Ultra­ schallwandler (USW1) und einem zweiten Ultraschallwandler (USW2) und mit einem im Strömungskanal (SK) angeordneten er­ sten Reflektor (RE1) und einem zweiten Reflektor (RE2) vor­ gesehen ist, und
• - bei der im Strömungskanal (SK) im Ultraschall-Hauptstrahlweg ein die Ultraschallwellenfront aufweitendes erstes Re­ flektorelement (R1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

• - bei der der Querschnitt des ersten Reflektorelements (R1) dreiecksförmig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

• - bei der das erste Reflektorelement (R1) mittig auf dem er­ sten Reflektor (RE1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,

• - bei der im Strömungskanal (SK) ein zweites die Ultraschall­ wellenfront aufweitendes Reflektorelement (R2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

• - bei der der Querschnitt des zweiten Reflektorelements (R2) dreiecksförmig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,

• - bei der das zweite Reflektorelement (R1) mittig auf dem zweiten Reflektor (RE2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche,

• - bei der der erste Reflektor (RE1) gegenüber dem ersten Ul­ traschallwandler (USW1) und der zweite Reflektor (RE2) gegen­ über dem zweiten Ultraschallwandler (USW2) angeordnet ist.