DE4421692A1 - Präzisions Durchflusszähler - Google Patents

Description

1. Stand der Technik

Zur Messung von Flüssigkeiten oder Gasen werden üblicherweise mechanische Zählwerke verwendet, die direkt durch das durchströmende Medium angetrieben werden. Als Beispiel dafür soll hier nur die in jedem Haushalt anzutreffende Wasseruhr genannt werden.

Der Nachteil dieser Meßmethode liegt zum einen darin, daß die eigentliche Meß­ apparatur vom Medium direkt durchströmt wird, was bei aggressiven oder heißen Medien zu großen Problemen in der Herstellung der Zähler führt.

Aus diesem Grunde wurden vor einiger Zeit Durchströmungszähler auf der Basis der Ultraschallmessung entwickelt. Das Meßprinzip solcher Ultraschallzähler besteht in dem physikalischen Phänomen, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalles nicht konstant ist, sondern von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums beeinflußt wird. Aus diesem Grunde wird die Laufzeit des Ultraschallpulses (Abb. 1) zum einen in Strömungsrichtung des Mediums T_in und zum anderen gegen die Strömungsrichtung T_gegen gemessen, wobei eine definierte Wegstrecke l in dem Durchströmungskanal trans­ mittiert werden muß. Dazu sind auf beiden Seiten des Strömungskanals jeweils ein Ultraschall-Sender/Empfänger Paar S_L/E_L und S_R/E_R eingebaut. Die Sender S_L und S_R werden zeitgleich angesteuert und es wird ein Puls mit beispielsweise 60 Wellenzügen ausgesendet. Mit den beiden Empfängern E_R und E_L wird jeweils die Ankunftszeit jedes einzelnen Wellenzuges des Ultraschallpulses des gegenüberliegenden Senders aufgenommen. Die Zeitdifferenz Δt_i zwischen dem i-ten Wellenzug des in Strömungs­ richtung emittierten Pulses und dem i-ten Wellenzug des gegen die Strömungsrichtung ausgesendeten Pulses beträgt Δt_i = T_gegen,i-T_in,i. Bei bekannter Wegstrecke l und bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalles V_US ist die gemessene Zeitdifferenz Δt_i ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit V des Mediums. Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen wird über sämtliche Meßwerte Δt_i innerhalb eines Ultraschallpulses gemittelt.

Die Problematik des hier beschriebenen Standard-Durchströmungszählers besteht darin, daß diese Meßmethode keine eigene Kalibrationsmöglichkeit enthält und somit störende Einflüsse (z. B. Temperaturschwankungen) nur unzureichend kompensiert werden können. Die Meßmethode enthält also systematische Fehlerquellen, die in der Praxis zu erheblich verfälschten Messungen führen können.

2. Beschreibung des Präzisions-Durchströmungszählers

Der Präzisisons-Durchströmungszähler zeichnet sich im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Durchströmungszähler durch seine zusätzliche Kalibrationseinrichtung aus. Diese besteht darin, daß nicht alleine T_in,i und T_gegen,i jedes Wellenzuges gemessen werden, sondern daß zudem die Zeitdifferenzen T_refl,L,i und T_refl,R,i gemessen werden. Dabei beschreibt T_refl,L,i die Laufzeit nach Aussenden des i-ten Wellenzuges vom linken Sender S_L bis zu dessen Rückkehr in den linken Empfänger E_L, wobei der Schall dabei an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Durchströmungskanals reflektiert worden ist. Analog dazu ist T_refl,R,i die Laufzeit nach Aussenden des i-ten Wellenzuges vom rechten Sender S_R bis zu dessen Rückkehr in den rechten Empfänger E_R, wobei der Schall dabei ebenfalls an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Durchströmungskanals reflektiert wurde. Die Zeitdifferenzen T_refl,L,i und T_refl,R,i enthalten keine Information über die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallpulses einmal in Strömungsrichtung und einmal gegen die Strömungsrichtung des Mediums zeigt. Aus diesem Grunde können T_refl,L,i und T_refl,R,i sofort für die Kalibrierung der Zeitdifferenzen T_in,i und T_gegen,i verwendet werden. Dies geschieht folgendermaßen:

Falls die Strömungsrichtung (Abb. 2) von links nach rechts zeigt, soll folgende Nomenklatur gelten:

T_{L → R,i}: = T_in,i (1)

und

T_{R → L,i}: = T_gegen,i (2)

Dann erhält man für die kalibrierten Zeitdifferenzen und folgende Ausdrücke:

Dabei beschreibt T_refl,soll den Sollwert der Laufzeit der reflektierten Ultraschallpulse. Dieser Sollwert wird bei "Normalbedingungen" gemessen oder auch für die vorgegebene Anordnung aus Literaturwerten bei Normalbedingungen berechnet. Die für die Strömungsgeschwindigkeit maßgebende kalibrierte Zeitdifferenz eines Wellenzuges wird dann folgendermaßen berechnet:

Auch hierbei läßt sich natürlich über alle Wellenzüge i mitteln.

Die oben beschriebene Kalibration berücksichtigt Instabilitäten der Sender/Empfänger mit vor- bzw. nachgeschalteter Elektronik. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalles in dem betreffenden Medium ist i.a. nicht konstant, sondern hängt zudem von den äußeren Parametern wie Druck, Temperatur etc. ab. Um dies zusätzlich kalibrieren zu können, wird der Präzisions-Durchströmungszähler optional beispielsweise mit einem Temperatur- und Drucksensor ausgestattet. Die Zeitdifferenzen ΔT_i ^k werden dann zudem auf die äußeren Parameter kalibriert.

Mit einer einfachen elektronischen Schaltung bestehend aus einem Mikroprozessor oder einer Look Up Table (LUT) lassen sich sämtliche Kalibrationen durchführen.

Claims (3)

1. Präzisions-Durchströmungszähler nach dem Prinzip der Ultraschallmessung dadurch gekennzeichnet, daß der von der gegenüberliegenden Stirnseite des Durchströmungs­ kanals reflektierte Ultraschallpuls zur Kalibration des Durchströmungszählers verwendet wird.

2. Präzisions-Durchströmungszähler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Instabilitäten der Sender/Empfänger mit vor- bzw. nachgeschalteter Elektronik auf die Zeitdifferenzen Δt_i nach der folgenden Formel korrigiert wird (Nomenklatur siehe Beschreibung): Δt_i ^k = Δt_i-(T_refl,R,i-T_refl,L,i)

3. Präzisions-Durchströmungszähler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zudem durch Temperatur- bzw. Druckmessung im durchströmenden Medium die Zeit­ differenzen Δt_i ^k auf die von der Temperatur, dem Druck oder anderen Parametern beeinflußten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle kalibriert werden können.