DE4341542C2 - 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 Durchflussge­ schwindigkeit eines strömenden Medium, insbesondere einer Flüssigkeit, in einer Rohrleitung ermittelt werden soll. Schwierigkeiten bei der Geschwindigkeitsmessung treten dann auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einer Rohrlei­ tung klein ist.

Aus der EP 0538930 A1 ist eine Durchflussmessvorrichtung für strömende Medien bekannt, die mit zwei Düsen versehen ist, welche in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind. Jede Düse ist mit einem Ultraschallwandler bestückt, der mittig in der Düse angeordnet ist. Zwischen den beiden Düsen ist ein die Strömung des Mediums beeinflussender Körper installiert.

Aus der DE 42 41 225 A1 ist eine Durchflussmessvorrichtung 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 Ultraschallempfänger geleitet. Dieser ist auf der gleichen Seite wie der Ultraschallsender angeordnet. Das Signal des zweiten Ultraschallsenders wird gegen die Strömung des Mediums ausgesendet, an der gegenüberliegenden Wand reflektiert und gegen die Strömung zu dem Ultraschallempfänger geleitet. Die Durchflussgeschwindigkeit wird aus der Pha­ sendifferenz der beiden Signale ermittelt.

Aus der DE 42 41 226 A1 ist eine Durchflussmessvorrichtung bekannt, bei der ebenfalls Ultraschallsender und Ultraschallempfänger für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums verwendet werden. Die Ultra­ schallsender und -empfänger sind in einen Schwingkreis integriert und über das als akustische Übertragungsstrecke dienende, strömende Medium miteinander gekop­ pelt.

In der GB 2 142 725 A ist eine Durchflussmessvorrichtung beschrieben, die vorzugs­ weise für Gase bestimmt ist. Die Durchflussmessvorrichtung ist mit nur einer Venturi­ düse ausgerüstet. Innerhalb der Düse ist ein keilförmiges Bauelement zur Ausbildung von Wirbeln mittig im strömenden Medium installiert. Diese Wirbel werden mit Hilfe ei­ ner Ultraschalleinrichtung oder einer optischen Vorrichtung erfasst. Aus den hierbei ermittelten Messsignalen wird die Größe des Gasflusses bestimmt.

Aus der EP 0 347 096 A2 ist eine Vorrichtung zum Messen der Durchflussgeschwin­ digkeit eines strömenden Mediums bekannt. Diese Vorrichtung umfasst zwei Ultra­ schallwandler, die in einer Messzelle installiert sind. Die Messzelle wird im wesentli­ chen durch eine Düse gebildet, an deren Eintritts- und Auslassöffnung jeweils einer der Ultraschallwandler installiert ist.

In der JP 61-132 823 AA ist eine Durchflussmessvorrichtung beschrieben, die durch eine Rohrleitung begrenzt wird. In die Wand dieser Rohrleitung sind ringförmige Vibratoren zur Erzeugung akustischer Signale eingebaut.

Aus der US 5 052 230 und der US 4 003 252 sind ebenfalls Durchflussmessvorrich­ tungen bekannt, welche für die Messung der Durchflussgeschwindigkeit nur mit akus­ tischen Wandlern ausgerüstet sind, die in eine Rohrleitung integriert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchflussmessvorrichtung aufzuzei­ gen, mit der eine exaktere Messung der Flussgeschwindigkeit von strömenden Me­ dien unabhänig vom Einkopplungswinkel des Messsignals ermittelt werden kann.

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

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Düsen auf. Die beiden Düsen sind bau­ gleich und in definiertem Abstand voneinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Durch die erste Düse wird der Querschnitt der Rohrleitung reduziert. Mit der zweiten Düse wird sichergestellt, dass das Medium über eine definierte Länge eine laminare Strömung aufweist. Die Außendurchmesser der Düsen sind an den Innendurchmes­ ser der Rohrleitung angepasst. Die Düsen sind bei dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel so ausgebildet, dass der Innendurchmesser der Rohrleitung um etwa ein Drittel reduziert wird. Zwischen den beiden Düsen ist ein Konus angeordnet, der als Rotationsellipsoid ausgebildet ist. Der Abstand zwischen den beiden Düsen ist gleich der Länge des Konus bzw. geringfügig kürzer. Die Länge des Konus entspricht etwa dem Innendurchmesser der Rohrleitung. Mit dem Konus wird ein konstantes Strömungsprofil erzeugt.

Im Randbereich einer jeden Düse sind zwei Ultraschallwandler angeordnet, die als Sender und Empfänger betrieben werden. Die Ultraschallwandler sind als zylindrische Bauelemente, Halbringe oder geschlossene Ringe ausgebildet. Sie sind in der äuße­ ren Begrenzungswand der Düsen angeordnet. Die Größe der als Ringe oder Halb­ ringe ausgebildeten Ultraschallwandler wird so gewählt, dass sie sich über den ge­ samten Umfang der jeweiligen Düse erstrecken. Die zylinderförmigen Ultraschall­ wandler sind in definiertem Abstand voneinander über den Umfang der Düsen verteilt. Da die Ultraschallwandler sowohl als Sender, als auch Empfänger betrieben werden können, ist ein gleichzeitiges Messen mit und gegen die Strömung des Mediums mög­ lich. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung vergrößert. Durch die parallele Ein­ kopplung 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 Ver­ engung dieser Düse eine kleine Rezirkulationszone. An die Verengung der ersten stromaufwärts angeordneten Düse schließt sich stromabwärts eine Verlängerung an, deren Außendurchmesser an den Innendurchmesser der Rohrleitung angepasst ist. Der Innendurchmesser der Verlängerung ist von der Verengung der Düse an kontinu­ ierlich nach außen zu aufgeweitet, 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 Unstetigkeiten im strömenden Medium ausbilden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 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 (4)

1. Durchflussmessvorrichtung zum der Durchflussgeschwindigkeit von strömen­ den Medien (11) in einer Rohrleitung (10) mittels Ultraschallwandlern (4 und 5), die in zwei Düsen (2 und 3) integriert sind, welche innerhalb der Rohleitung (10) installiert sind, und zwischen denen ein die Strömung beeinflussendes Bauelement (6) ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Düsen (2 und 3) ein Konus (6) in Form eines Rotationsellipsoids angeordnet ist, dessen Länge etwa dem Durch­ messer der Rohrleitung (10) entspricht, und dessen Längsachse in der Längsachse der Rohrleitung (10) verläuft, dass der Abstand zwischen den Düsen (2 und 3) ge­ ringfügig kürzer oder gerade so groß wie Länge des Konus (6) ist, dass je Düse (2, 3) mit als Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern nutzbaren Ultraschallwandlern (4, 5) versehen ist, die als zylindrische Bauelemente ausgebildet und über den Um­ fang der Düsen (2, 3) verteilt oder als Halbringe oder geschlossene Ringe ausgebildet und um den gesamten Umfang der Düsen (2 und 3) geführt sind, und dass an die Verengung (2E, 3E) der Düsen (2, 3) eine Verlängerung (2L, 3L) angesetzt ist, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Düsen (2, 3) entspricht, und deren Innendurchmesser unter einem Winkel größer 110° konisch nach außen aufgewertet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultra­ schallwandler (4 und 5) in der Begrenzungswand (2W, 3W) der Düsen (2 und 3) an­ geordnet sind, dass wenigstens eine Begrenzungsfläche der Ultraschallwandler (4 und 5) in einer Ebene mit der Verengung (2E, 3E) der Düsen (2, 3) angeordnet ist, und dass die Begrenzungswand der Verlängerung (2L, 3L) die Form eines Ringes (2R, 3R) aufweist, der einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, und dessen breite Seite unmittelbar vor den Ultraschallwandlern (4, 5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Düsen (2 und 3) in definierten Abstand voneinander spiegelsymmet­ risch angeordnet und baugleich in Form von Venturidüsen ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengungen (2E, 3E) der Düsen (2, 3) den Durchmesser (10D) der Rohr­ leitung (10) um wenigstens ein Drittel reduzieren.