DE4341542A1 - Durchflußmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung kommt vorzugsweise dort zum Einsatz, wo die Durchflußgeschwindigkeit eines strömenden Medium, insbesondere einer Flüssigkeit, in einer Rohrleitung ermit­ telt werden soll. Schwierigkeiten bei der Geschwindigkeits­ messung treten dann auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einer Rohrleitung klein ist. Aus der deut­ schen Patentanmeldung P 4241225.0 ist eine Durchflußmeßvor­ richtung bekannt, bei der mit Hilfe von Ultraschallsignalen die Durchflußgeschwindigkeit eines strömenden Mediums in einer Rohrleitung ermittelt wird. Es sind hierfür zwei Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger vorgesehen. Das vom Ultraschallsender ausgehende Signal wird mit der Strömung des Mediums geleitet, an der gegenüberliegenden Wand reflektiert und mit der Strömung zu dem Ultraschallem­ pfänger geleitet. Dieser auf der gleichen Seite wie der Ultraschallsender angeordnet. Das Signal des zweiten Ultra­ schallsenders wird gegen die Strömung des Mediums aus­ gesendet, an der gegenüberliegenden Wand reflektiert und gegen die Strömung zu dem Ultraschallempfänger geleitet. Die Durchflußgeschwindigkeit wird aus der Phasendifferenz der beiden Signale ermittelt.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 4241226.9 ist eine Durchflußmeßvorrichtung bekannt, bei der ebenfalls Ultra­ schallsender und Ultraschallempfänger für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums verwendet werden. Die Ultraschallsender und -empfänger sind in einen Schwingkreis integriert und über das als akustische Übertragungsstrecke dienende, strömende Medium miteinander gekoppelt.

Alle bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß auf Grund der schrägen Einkopplung die Strömungsgeschwindigkeit nur gemäß dem Anteil des gewählten Winkels für die Messung genutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchflußmeß­ vorrichtung aufzuzeigen, mit der eine exaktere Messung der Flußgeschwindigkeit von strömenden Medien unabhängig vom Ein­ kopplungswinkel des Meßsignals ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Düsen auf. Die beiden Düsen sind baugleich und in definiertem Abstand von­ einander spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Im Randbereich der Düsen sind Ultraschallwandler angeordnet, die als Sender und Empfänger betrieben werden. Durch die erste Düse wird der Querschnitt der Rohrleitung reduziert. Mit der zweiten Düse wird sichergestellt, daß das Medium über eine definier­ te Länge eine laminare Strömung aufweist. Die Ultraschall­ wandler sind als zylindrische Bauelemente, Halbringe oder geschlossene Ringe ausgebildet. Sie sind in der äußeren Begrenzungswand der Düsen angeordnet. Die Größe der als Ringe oder Halbringe ausgebildeten Ultraschallwandler wird so gewählt, daß sie sich über den gesamten Umfang der jewei­ ligen Düse erstrecken. Die zylinderförmigen Ultraschallwand­ ler sind in definiertem Abstand voneinander über den Umfang der Düsen verteilt. Da in beiden Düsen Ultraschallwandler angeordnet sind, die sowohl als Sender, als auch Empfänger betrieben werden können, ist ein gleichzeitiges Messen mit und gegen die Strömung des Mediums möglich. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung vergrößert. Durch die parallele Einkopplung der Ultraschallsignale in das Medium wird dieses komplett durchschallt und somit vollständig für die Messung herangezogen. Das strömende Medium bewegt sich durch die Mündung der ersten Düse hindurch und erzeugt unmittelbar hinter der Verengung dieser Düse eine kleine Rezirkulations­ zone. An die Verengung der ersten stromaufwärts angeordneten Düse schließt sich stromabwärts eine Verlängerung an, deren Außendurchmesser an den Innendurchmesser der Rohrleitung an­ gepaßt ist. Der Innendurchmesser der Verlängerung ist von der Verengung der Düse an kontinuierlich nach außen zu auf­ geweitet, bis er etwa so groß wie der Innendurchmesser der Rohrleitung ist. Durch die aus einem Kunststoff gefertigte Verlängerung wird erreicht, daß sich unmittelbar vor den Ultraschallwandlern keine Ablagerungen bilden können. Gleichzeitig wird hiermit sichergestellt, daß sich keine Un­ stetigkeiten im strömenden Medium ausbilden. Mit einem zwi­ schen den beiden Düsen angeordneten Konus wird ein kon­ stantes Strömungsprofil erzeugt. Die Strömungsgeschwin­ digkeit wird dadurch nicht unmittelbar nach der Verengung der Düse wieder reduziert, und somit kein unstetiger Fluß des Mediums bewirkt. Auf den Konus, der als Rotations­ ellipsoid ausgebildet ist, kann bei hinreichend laminarem Strömungsprofil verzichtet werden, da die Geschwindigkeits­ verteilung über den Querschnitt der Rohrleitung dann bekannt ist, und nur der wandnahe Anteil gemessen werden muß.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Durchflußmeßvorrichtung,

Fig. 2 die an eine Auswerteschaltung angeschlossene Durchflußmeßvorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Durchflußmeßvorrichtung 1, die im wesentlichen durch zwei Düsen 2 und 3 gebildet wird. Diese sind mit Ultraschallwandlern 4 bzw. 5 bestückt. Die Durchflußmeßvorrichtung 1 ist innerhalb einer Rohrlei­ tung 10 angeordnet, durch die ein strömendes Medium, bei­ spielsweise eine Flüssigkeit in Pfeilrichtung geleitet wird. Die beiden Düsen 2 und 3 sind baugleich. Sie sind in defi­ niertem Abstand voneinander spiegelsymmetrisch angeordnet. Zwischen den beiden Düsen 2 und 3 ist ein Konus 6 angeordnet, der als Rotationsellipsoid ausgebildet ist. Der Abstand zwischen den beiden Düsen 2 und 3 ist gleich der Länge des Konus 6 bzw. geringfügig kürzer. Die Länge des Konus 6 entspricht etwa dem Innendurchmesser 10D der Rohr­ leitung 10. Die Außendurchmesser der Düsen 2 und 3 sind an den Innendurchmesser der Rohrleitung 10 angepaßt. Die Düsen 2 und 3 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, daß der Innendurchmesser der Rohrleitung 10 um etwa ein Drittel reduziert wird. Die Verengung 2E kann auch so ausgebildet werden, daß eine größere Verengung des Querschnittes der Rohrleitung 10 bewirkt wird. Vorzugsweise werden als Düsen 2 und 3 Venturidüsen verwendet. Erfindungs­ gemäß sind zwischen der Öffnung 2A bzw. 3A und der Verengung 2E bzw. 3E der Düse 2 bzw. 3 die Ultraschallwandler 4 bzw. 5 in den seitlichen Begrenzungswänden 2W bzw. 3W der Düse 2 bzw. 3 angeordnet. Die Ultraschallwandler 4 bzw. 5 sind in der Begrenzungswand 2W bzw. 3W der Düse 2 bzw. 3 so ange­ ordnet, daß jeweils eine ihrer Begrenzungsflächen in einer Ebene mit der Verengung 2E bzw. 3E liegt. Die Ultraschall­ wandler 4 können als zylinderförmige Bauelemente, wie hier dargestellt, ausgebildet werden. Es besteht andererseits die Möglichkeit, die Ultraschallwandler als Halbringe oder Ringe auszubilden (hier nicht dargestellt), die dann in der Be­ grenzungswand 2W bzw. 3W rundum angeordnet sind. Damit es im Anschluß an die Verengung 2E vor den Ultraschallwandlern 4 nicht zu Ablagerungen von Partikeln kommt, die in dem Medium 11 mitgeführt werden, weist die Düse 2 eine Verlängerung 2L auf. Diese ist stromabwärts im Anschluß an die Verengung 2E angeordnet. Der Außendurchmesser der Verlängerung 2L ent­ spricht dem Außendurchmesser der Düse 2. Die Innenbegrenzung der Verlängerung 2L ist von der Verengung 2E an konisch nach außen aufgeweitet, so daß ihr Innendurchmesser etwa so groß ist wie der Innendurchmesser 10D der Rohrleitung 10. Dadurch wird unmittelbar vor den Ultraschallwandlern 4 ein aus mas­ sivem Material bestehender Ring 2R mit dreieckigem Quer­ schnitt ausgebildet. Die gesamte Verlängerung 2L ist aus Kunststoff gefertigt. Mit ihrer Hilfe wird im Anschluß an die Verengung 2E der Düse 2 eine Rezirkulationszone im strö­ menden Medium ausbildet. Über diese Zone können die Ultra­ schallsignale der Ultraschallwandler 4 und 5 strömungspa­ rallel in das Medium eingekoppelt werden. Wie bereits oben beschrieben, sind die beiden Düsen 2 und 3 baugleich und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Dies bedeutet, daß der Verlängerung 2L das Verlängerungsstück 3L der Düse 3 un­ mittelbar gegenüberliegt. Die Verlängerung 3L bewirkt, daß sich auch vor den Ultraschallwandlern 5 keine Ablagerungen bilden. Durch den Konus 6, der zwischen den beiden Düsen 2 und 3 angeordnet ist, wird eine konstante Strömungsgeschwin­ digkeit des Mediums zwischen den Düsen 2 und 3 bewirkt. Bei hinreichend laminarer Strömung kann gegebenenfalls auf die­ sen Konus 6 verzichtet werden. Die Ultraschallwandler 4 und 5 können bei Bedarf alternierend als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger betrieben werden.

Die erfindungsgemäße Durchflußmeßvorrichtung kann zur Er­ mittlung der Strömungsgeschwindigkeit auf verschiedene Arten genutzt werden. Zum einen kann die Geschwindigkeit aus der Zeit ermittelt werden, die ein Signal für eine definierte Strecke benötigt. Dafür wird zunächst die Zeit erfaßt, die ein Ultraschallsignal zwischen einem Sender und einem Empfänger benötigt, wenn sich das strömende Medium 11 in Ruhe befindet. Anschließend wird die Zeit ermittelt, die ein Ultraschallsignal benötigt, wenn das Medium 11 mit der zu ermittelnden Geschwindigkeit durch die Rohrleitung 10 strömt. Aus der Zeitdifferenz der beiden Signale kann dann die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.

Ferner kann ein Ultraschallsignal in Strömungsrichtung aus­ gesendet und vom gegenüberliegenden Ultraschallwandler empfangen werden. Aus den Phasenverschiebungen zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Ultraschallsignal kann die Strömungsgeschwindigkeit des Medium 11 berechnet werden. Desweiteren können mit den Ultraschallwandlern 4 der Düse 2 Signale in das strömende Medium eingekoppelt und mit den stromabwärts liegenden Ultraschallwandlern 5 empfangen wer­ den. Ultraschallsignale der als Sender dienenden Ultra­ schallwandler 5 können gegen die Strömungsrichtung in das Medium 11 eingekoppelt und von den Ultraschallwandlern 4 empfangen werden. Aus der Phasendifferenz der Signale kann dann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt wer­ den.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Durchflußmeßvor­ richtung 1 mit einer Auswerteschaltung 20 verbunden. Die Ausgangssignale der Ultraschallwandler 4 bzw. 5 können über Schalter 21 wahlweise einem Verstärker 22 zugeführt werden, dessen Ausgangssignale an eine Auswerteeinheit 23 weiterge­ leitet werden. Diese ist zur Berechnung der Strömungsge­ schwindigkeit aus den zugeführten Signalen vorgesehen. Die Ultraschallwandler 4 und 5 sind hierbei als Ringe ausge­ bildet.

Claims (7)

1. Durchflußmeßvorrichtung für die Erfassung der Durch­ flußgeschwindigkeit von strömenden Medien (11) in einer Rohrleitung (10) unter Verwendung von Ultraschallwandlern (4 und 5), dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (4 und 5) in wenigstens zwei in die Rohrleitung (10) ein­ setzbare Düsen (2 und 3) integriert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (4 und 5) in der Begrenzungswand (2W, 3W) der Düsen (2 und 3) angeordnet sind, und daß wenig­ stens eine Begrenzungsfläche der Ultraschallwandler (4 und 5) in einer Ebene mit der Verengung (2E, 3E) der Düsen (2, 3) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (4 und 5) als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger nutzbar sind, daß die Ultraschallwandler (4 und 5) als zylindrische Bau­ elemente ausgebildet und über den Umfang der Düsen (2, 3) verteilt oder als Halbringe oder geschlossene Ringe ausge­ bildet und um den gesamten Umfang der Düsen (2 und 3) ge­ führt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Düsen (2 und 3) in definierten Abstand voneinander spiegelsymmetrisch ange­ ordnet und baugleich in Form von Venturidüsen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verengungen (2E, 3E) der Düsen (2, 3) den Durchmesser (10D) der Rohrleitung (10) um wenig­ stens ein Drittel reduzieren.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Düsen (2 und 3) ein Konus (6) in Form eines Rotationsellipsoids angeordnet ist, dessen Länge etwa dem Durchmesser der Rohrleitung (10) ent­ spricht, und daß der Abstand zwischen den Düsen (2 und 3) geringfügig kürzer oder gerade so groß wie Länge des Konus (6) ist, und daß die Längsachse des Konus (6) in der Längs­ achse der Rohrleitung (10) verläuft.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß an die Verengung (2E, 3E) der Düsen (2, 3) eine Verlängerung (2L, 3L) angesetzt ist, deren Au­ ßendurchmesser dem Außendurchmesser der Düsen (2, 3) ent­ spricht, und deren Innendurchmesser unter ein Winkel größer 110° konisch nach außen aufgeweitet ist, und daß die Begren­ zungswand der Verlängerung (2L, 3L) die Form eines Ringes (2R, 3R) aufweist, der einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, und dessen breite Seite unmittelbar vor den Ultra­ schallwandlern (4, 5) angeordnet ist.