DE4430223C2

DE4430223C2 - Ultraschallströmungs-Meßverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4430223C2
Application number: DE4430223A
Authority: DE
Inventors: Soo Deuck Kim; Hak Soo Chang; Jong Seung Paik
Original assignee: Chang Min Tech Co; Chang Min Tech Co Ltd
Current assignee: CHANG MIN TECH CO.,LTD.,, SUNGMANN-CITY, KYONGGI,
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: JPH07218307A; KR950006432A; KR960013251B1; US5531124A; DE4430223A1; JP2676321B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Durchflußmenge eines großkalibrigen Rohres entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbe griff des Anspruches 5.

Die allgemeine Verwendung von Ultraschallströmungs-Meß geräten ist bekannt. Ein Vorteil des Ultraschallströmungs- Meßgerätes besteht darin, daß seine Verwendung teilweise sehr bequem ist, da Piezokristalle zur Übertragung und zum Empfang des Ultraschalls an der Innenwand eines Rohres be festigt werden. Im folgenden soll der häufig als "Wandler" bezeichnete Piezokristall als ein "Ultraschallvibrator" bezeichnet werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines üblichen Verfah rens, wobei ein Ultraschallvibrator am äußeren Teil eines Rohres befestigt ist. Der Ultraschallvibrator 1, 1' umfaßt Befestigungen 2, 2', deren winklige Oberfläche an der Rohr wand 3 befestigt ist, damit er in einem konstanten Winkel Θ in Bezug auf die Mittellinie des Rohres befestigt ist. Beim Messen der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung des Ultraschallvibrators 1, 1' überträgt ein Ultraschall strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren Ultraschall von dem Vibrator 1 zu dem Vibrator 1' in der mittels der Pfeile in Fig. 1 gezeigten Richtung entgegen zur Strömungsrichtung und umgekehrt mit minimalem Fehler. In jedem gegebenen Moment ist die Ultraschallgeschwindigkeit C der gemessenen Flüssigkeit, in welcher sich der Ultraschall ausbreitet, die Summe der Ultraschallgeschwindigkeit C_w zum Zeit punkt, wenn die Flüssigkeitsströmung unterbrochen ist, und der Strömungsgeschwindigkeitskomponente ν. Im umgekehrten Fall wird die Differenz gebildet.

Die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit basiert daher auf der Zeitdifferenz und der Frequenzdifferenz. Das Berechnungsverfahren auf der Grundlage der Zeitdifferenz umfaßt die Schritte des Messens der Zeit t₊ zum Aus breiten der Ultraschallimpulse von dem Vibrator 1' zum Vibrator 1 in Richtung der Flüssigkeitsströmung und der Zeit t_- zum Ausbreiten der Ultraschallimpulse von dem Vibrator 1 zu dem Vibrator 1' in Richtung entgegengesetzt zu Richtung der Flüssigkeitsströmung. Mit anderen Worten,

Die Strömungsgeschwindigkeit v in Fig. 1 ist eine Strö mungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung von L, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_D auf der Durch messerlinie D sich wie folgt bestimmt:

= V_D . cos θ (2)

Hieraus berechnet sich die Formel (1) wie folgt:

Wenn die Werte der Parameter L, Θ und C_w vorher be kannt sind, berechnet sich die Strömungsgeschwindigkeit V_D durch Messen der Zeitdifferenz Δt mit dem Propor tionalkoeffizienten (2 L cosΘ/C² _w = A) der vorher in einem Rechnerteil gespeichert wurde.

Es gibt viele technische Verfahren, um die Frequenzdiffe renz zu berechnen, jedoch ist grundsätzlich allen folgendes gemeinsam:

Der große Vorteil der Verwendung des Berechnungsverfahrens zur Bestimmung der Frequenzdifferenz besteht darin, daß es von der Ultraschallgeschwindigkeit C_w in der Flüssig keit unabhängig ist. Die Ultraschallgeschwindigkeit C_w ändert sich entsprechend der Dichte, der Art und der Tempe ratur der Flüssigkeit, so daß es den Nachteil hat, daß der Meßfehler steigt, wenn nicht die Ultraschallgeschwindigkeit C_w, die direkt während des Messens des Volumendurch flusses gemessen wird, in der Formel (3) substituiert wird. Hierbei wird darauf hingewiesen, daß, wenn V²/C² _w ein sehr kleiner Wert ist, dieser bei der Ableitung der Formel (4) vernachlässigt wird.

Die Ultraschallgeschwindigkeit C_w kann durch Messen der Flüssigkeitstemperatur bestimmt werden, jedoch kann die Ultraschallgeschwindigkeit C_w ebenfalls durch Messen der Zeitdifferenzen t₊ und t_- wie folgt ermittelt wer den:

Durch Einsetzen der Formel (5) in die Formel (3) ergibt sich:

Im folgenden wird die Formel (6) wie folgt umgeformt:

Unabhängig, welches Strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren ausgewählt wird, berechnet ein Einkanalultraschallströ mungs-Meßgerät die Strömungsmenge Q wie folgt:

wobei m der Strömungskoeffizient eines Ultraschallströ mungs-Meßgerätes (oder der Proportionalkoeffizient), S die Querschnittsfläche des Rohres und D der Innendurchmesser des Rohres ist.

Wie oben beschrieben, sind diese grundsätzlichen Grundlagen für die Messung der Strömungsmenge geeignet und weiter sollen diese Grundlagen nicht verändert werden, auch wenn verschiedene Meßalgorithmen und Strömungsberechnungsformeln entwickelt werden.

Strömungsmeßgeräte wurden entwickelt und kommerziell durch die Japan Tokyo Metering Co., die U.S. Controlotron Co. usw. vertrieben. Das Ultraschallströmungs-Meßgerät, das die Strömungsgeschwindigkeit mißt und die Strömungsmenge unter Verwendung einer Kreuzkorrelationsfunktion berechnet, ist typisch ein Einkanalströmungs-Meßgerät.

Beispielsweise ist das Strömungsmeßgerät bei einem Einka nalströmungs-Meßgerät derartig konstruiert, daß die Ultra schallvibratoren 1 und 1' an der Außenwand 3 des Rohres mittels Befestigungen 2 und 2' befestigt werden, unabhängig von den Verfahren der Ausbreitung der Ultraschallsignale durch die Flüssigkeit. Das Strömungsmeßgerät mißt zuerst die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit V_D längs einer Durchmesserlinie des Rohres. Dies deshalb, weil sich der Ultraschall in der Flüssigkeit mit einem konstanten Winkel Θ nur ausbreitet, wenn die Ultraschallvibratoren an besonderen Punkten an dem Rohrdurchmesser befestigt sind, und wenn sie den anderen Vibrator durch die Rohrwand 3 und die Befestigung 2 erreichen.

Wenn die Vibratoren an Stellen wie in Fig. 3 gezeigt, an der Außenwand des Rohres befestigt sind, ist es sehr schwierig für die Vibratoren, den Ultraschall zu empfangen, weil der Ultraschall von der Rohrwand in die Flüssigkeit reflektiert wird. Ebenfalls, wie in Fig. 2 dargestellt, wird mit der Strömungsmessung, in der sich die Vibratoren 1 und 1' um die Umfangskante des Rohres bewegen, nur die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit der durch die Durch messerlinie strömenden Flüssigkeit gemessen. Das heißt mit anderen Worten, obwohl die Vibratoren an vielen Stellen angeordnet sind, um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, wird die Genauigkeit der Strömungsmessung grundsätzlich nicht verbessert.

Die Hauptnachteile des Einkanalströmungs-Meßgeräts, das mit mindestens einem Ultraschallvibrator, der an der Außenwand des Rohres befestigt ist, versehen ist, sind folgende:

1. Ein der Strömung proportionaler Koeffizient m ist keine ganze Zahl, sondern eine Zahl, die sich entsprechend der durch das Rohr mit einem bestimmten Durchmesser strömenden Strömungsmenge (Querschnittsfläche S = konstant), z. B. der Strömungsgeschwindigkeit, ändert. Die genaue Strömungsmenge Q₀ wird wie folgt berechnet:

Q₀ = S . V_S (9)

wobei V_S die gesamte mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist, mit der sich die Flüssigkeit durch die innere Quer schnittsfläche eines inneren Rohres bewegt. Somit ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_D längs des Rohr durchmessers nicht gleich der Strömungsgeschwindigkeit V_S. Der Strömungskoeffizient m wird daher verwendet, um eine derartige Differenz zu kompensieren.

Das Verhältnis zwischen dem Meßwert Q', durch den der Strömungskoeffizient m in der Formel (8) ersetzt wird und der Durchflußmenge Q₀, die in dem Standardströmungs- Meßgerät gemessen wird, ist wie folgt:

wobei m_V eine Strömungsgeschwindigkeitskoeffizient und m_Q ein Strömungskoeffizient ist.

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Rohr, die sich entsprechend der Strömungsmenge ändert.

Die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung wird symmetrisch, wenn der lineare Anteil des Rohres lang genug ist. Somit sind die Strömungsgeschwindigkeits-Verteilungsgesetze un terschiedlich, wenn die Strömungsmenge größer oder kleiner ist (ein Strömungsmeßgerät hat normalerweise eine Meßdiffe renz von 1 : 10 zwischen der minimalen Strömungsmessung und der maximalen Strömungsmessung). Der Strömungskoeffizient m_Q und der Strömungsgeschwindigkeitskoeffizient m_V ändern sich somit entsprechend der Strömungsmenge. Unab hängig, wie die Koeffizienten m entsprechend der minimalen und maximalen Strömungsmenge erhalten werden, bewirkt die Verwendung ihrer Mittelwerte in Strömungsmeßgeräten häufig einen Strömungsmeßfehler von 4-6%. Der Fehler bezieht sich, wie in den Kennwerten eines Strömungsmeßgerätes ange zeigt, z. B. 0,5 bis 1%, auf den Meßfehler der Strömungsge schwindigkeit oder irgendeiner gegebenen Reynolds-Zahl oder einer gegebenen Strömungsmenge, bezieht sich jedoch nicht auf die Strömungsmenge der gesamten zu messenden Fläche. Der Koeffizient m ist ein sich entsprechend dem Zustand der Rohrinnenwand, der Dichte und der Viskosität der Flüssig keit und dem linearen Abstand vom Rohr ändernder Parame ter. Diese Tatsachen sind allgemeine Nachteile bei der Be rechnung der Zeitdifferenz, der Frequenzdifferenz und der Zeitmessung der Kreuzkorrelationsfunktion.

2. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Betreiber die genaue Ausbreitungszeit t_s, mit der sich der Ultra schallimpuls durch eine Befestigung 2 und die Außenwand 3 des Rohres bewegt, kennen muß, wenn die Strömungsmeßformeln (1) bis (8) verwendet werden. Weiter muß die Verzögerungs zeit τ₀ des Signals, das an dem Elektronikschalt kreis eines Ultraschallströmungs-Meßgerätes und einem einen Ultraschallvibrator mit einem Strömungsmeßgeräte verbinden den Kabel auftritt, bekannt sein. Die Formeln (1) bis (8) sind nützlich zur Bestimmung der Zeit, in der sich der Ul traschallimpuls in der Flüssigkeit ausbreitet. Andererseits ist die direkt gemessene Zeit die Zeit von dem Moment, in dem eine Energiequelle an einem Ultraschallvibrator ange bracht wird, bis zu dem Moment, in dem der Ultraschallim puls den anderen Vibrator erregt, um seine elektrischen Ausgangssignale abzugeben. Somit unterscheidet sich die ge messene Zeit von den Zeiten t₊ und t_- wie folgt:

t₊' = t₊ + 2t_s + τ₀
t_-' = t_- + 2t_s + τ₀ (12)

Bei der Zeitdifferenzberechnungsmethode eliminieren sich die Ausdrücke 2t_s + τ₀ gegenseitig.

z. B. Δt = t_-' - t₊' = t_- - t₊.

Dies ist ein großer Vorteil, aber aufgrund des Ausdrucks C² _w der Ultraschallgeschwindigkeit müssen die Formeln (6) und (7) verwendet werden. Die Zeiten t₊' und t_-' werden in der Ultraschallgeschwindigkeitsfor mel (5) ersetzt.

Es tritt somit ein Ultraschallgeschwindigkeits-Meßfehler auf. Wenn Formel (13) für den Ausdruck C'² _w in der Strömungsgeschwindigkeitsformel ersetzt wird, steigt der Ultraschallgeschwindigkeits-Meßfehler (z. B. ist der Fehler der zweifache Ultraschallgeschwindigkeits-Meßfehler). Die Ausbreitungszeit t_s und die Verzögerungszeit τ₀ müssen genau berechnet werden und dann von den Zeiten t₊' und t_-' subtrahiert werden. Die Ausbreitungs zeit t_s kann sich sowohl entsprechend den Materialien der Befestigung 2 und des Rohres als auch der Rohrdicke und der Form der Befestigung ändern. Wenn die Ausbreitungszeit t_s nicht genau vor Ort gemessen wird, wo der Ultra schallvibrator eingebaut ist, muß sie geschätzt werden, auch wenn die gleichen Stahlrohre verwendet werden, sind die Stahlkomponenten nicht identisch und somit ändert sich die Ultraschallgeschwindigkeit C_w.

Bei dem Frequenzdifferenzberechnungsverfahren werden die gemessenen Zeiten t₊' und t_-' in der Frequenzdiffe renzformel wie folgt ersetzt:

Dieses Verfahren bewirkt, daß der Meßfehler der Strö mungsgeschwindigkeit V groß wird. Auch wenn das Frequenz differenzverfahren verwendet wird, ohne daß es durch den Ausdruck der Ultraschallgeschwindigkeit C_w beeinflußt wird, müssen die Ausbreitzeit t_s und die Verzögerungs zeit τ₀ genau gemessen und dann durch die Formel t_± = t_±' - t_s - τ_o geändert werden.

3. Ein weiterer Nachteil besteht in der Messung der Länge L und des Winkels Θ. Wenn der Ultraschallvibrator an der Außenwand 3 des Rohres mit den Befestigungen 2 befestigt wird und die akustischen Kennwerte entsprechend der Mate rialien der Befestigung 2 und der Rohre 3 voneinander un terschiedlich sind, wird der Ultraschall gebrochen, während er sich abwechselnd von der Befestigung 2 zur Rohrwand 3 und von der Rohrwand 3 zur Flüssigkeit ausbreitet. Das heißt, die Differenz zwischen den akustischen Widerständen des Stahls und der Flüssigkeit ist ein Mehrfaches von 30, so daß der Brechungswinkel nicht vernachlässigt werden kann. Infolge der von der Brechung beeinflußten Ausbreitung des Ultraschalls ist es nicht leicht, genau die Ausbrei tungsstrecke L des Ultraschalls in der Flüssigkeit und den zwischen der Strecke L und der Mittellinie des Rohres ge bildeten Winkel Θ mittels irgendeiner Meßeinrichtung, wie z. B. einer Formel zu bestimmen. Die Strecke L und der Winkel Θ werden geometrisch in einer Weise berechnet, in dem die Innen- und Außendurchmesser des Rohres, die Lagen der Ultraschallvibratoren gemessen und der Brechungswinkel berechnet wird. Wenn sich die berechnete Strecke L' und der Winkel Θ' von der tatsächlichen Strecke L und dem Winkel Θ unterscheiden, werden die Meßfehler der Strömungsge schwindigkeit und der Strömungsmenge vergrößert.

4. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zwischen der geometrischen Strecke L und der Strecke L', über die sich der Ultraschallimpuls durch die Flüssigkeit zum empfangenen Vibrator ausbreitet, unterschieden werden muß, wenn der Rohrdurchmesser größer wird oder wenn die Durchflußmenge zunimmt.

Der Ausbreitungsweg des Ultraschallimpulses ist in Fig. 5 dargestellt. Der Ultraschallstrahl wird in Richtung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit abgegeben (in der glei chen Weise wie ein Boot das gegenüberliegende Ufer eines Flusses an einer Stelle weit oberhalb von dem beabsichtig tem Landeziel direkt gegenüber dem Fluß anvisiert).

Es gibt ein Ultraschallmeßgerät, das diese Phänomene ver wendet. Angenommen, daß die Ultraschallvibratoren 1 und 1' längs einer vertikalen Linie (einer Durchmesserlinie) senk recht zur Mittellinie des Rohres (siehe Fig. 5, B) angeord net sind und die Strömungsgeschwindigkeit V Null (V = 0) ist, so erreicht die Gesamtenergie des Ultraschallstrahls den Vibrator 1'. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit V Null (V < 0) überschreitet, breitet sich der Strahl nicht in ei ner geraden Linie aus, sondern wird zu einem Punkt d abgelenkt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Beziehung zwischen dem Winkel α und dem Intervall ab (= δ1) wie folgt:

wobei D der Innendurchmesser des Rohres ist.

Somit ist dies ein Strömungsmeßgerät, mit dem die Strö mungsgeschwindigkeit V gemessen wird, wenn das Intervall ab = δ1 gemessen wird, woraufhin dann die Strömungs menge berechnet wird. Das heißt, die Ultraschallvibratoren 1 und 1' werden so angeordnet, daß sie den Winkel Θ bil den, wie dies in Fig. 5B dargestellt ist. Der mit einem Winkel Θ übertragene Ultraschallstrahl erreicht nicht den Vibrator 1', sondern stattdessen erreicht er den Punkt b. Somit muß der beim Ultraschallvibrator 1 abgegebene Ultraschallstrahl mit einem Winkel Θ + ΔΘ übertra gen werden, um den Ultraschallvibrator 1' zu erreichen. Der Strahl bildet einen gekrümmten Weg mit der Strecke L₀, wie in Fig. 5B dargestellt. Die Strecke L₀ unterschei det sich von der Strecke L, so daß sie die Formel L₀ < L erfüllt. Trotzdem besteht die Tendenz, dieses Phänomen zu vernachlässigen, wenn der Durchmesser des Rohres gering ist, und die Strecke δ sehr klein ist. Sie kann jedoch nicht vernachlässigt werden, wenn der Durchmesser des Roh res groß und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit hoch ist. Nimmt man z. B. an, daß V = 5-10 m/s ist, Θ = 45° ist und D = 2-3 m beträgt, so ergibt die Formel (L₀ - L)/L ≈ 2%. Das heißt mit anderen Worten, wenn die Strömungsmenge unter Verwendung der Strecke L statt der Strecke L₀ gemessen wird, beträgt der Strömungsmeßfeh ler 2-4%. Dagegen ist, wenn D = 0,5 m beträgt, der Feh ler geringer als 0,2%. (Es ist dann üblich, den Fehler (z. B. 0,5%), der in der Spezifikation eines Ultraschall meßgerätes angegeben wird, als einen sich aus der Strö mungsmessung ergebenen Fehler zu betrachten).

Bei dem oben beschriebenen Befestigungsverfahren eines Ultraschallvibrators an der Außenwand eines Rohres ist es schwierig, genau die geometrische Strecke L zu messen, und der Meßfehler wird groß, wobei der Strömungsmeßfehler groß sein kann, auch wenn der Durchmesser des Rohres klein ist. Auch das Phänomen, durch das der Ultraschallstrahl sich nicht in einer geraden Linie in der Flüssigkeit aus breitet, führt dazu, daß die Strecke L₀ ≠ L ist.

Andererseits ist es möglich, daß der Ultraschallstrahl von der Innenwand des Rohres reflektiert werden kann, um eine Vergrößerung der Strömung oder des Strömungsgeschwindig keitsmeßfehlers zu vermeiden. In diesem Fall ist das Zeit differenzberechnungsverfahren wie folgt anwendbar:

Es findet keine Beeinflussung durch die Strecke L statt. Wenn jedoch die Ultraschallgeschwindigkeit C_w durch die Formel (5) berechnet wird, und das Frequenzdifferenzberech nungsverfahren angewendet wird, muß die wahre Strecke (die tatsächliche Strecke) L₀ bestimmt werden.

5. Ein weiterer Nachteil des Befestigungsverfahrens der Ultraschallvibratoren 1 und 1' an der Außenwand des Rohres besteht darin, daß der Ultraschallvibrator nur in einem Einkanalultraschallströmungsmeßgerät verwendet wird, das in der Lage ist, die Strömungsgeschwindigkeit längs der Durchmesserlinie eines Rohres zu messen.

Die Vorteile des Einkanalströmungsmeßgerätes bestehen darin, daß es tragbar und bequem an der Rohrwand befestig bar ist. Die Nachteile sind dagegen, daß, wenn die durch ein großkalibriges Rohr fließende Strömungsmenge gemessen wird, das Strömungsmeßgerät nicht durch Überprüfen mit einem Standardströmungsmeßgerät berichtigt wird, so daß der wesentliche Strömungsmeßfehler groß wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beheben; insbesondere sollen ein Ver fahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, mit welchen die Genauigkeit der Messung der Strömungsgeschwindigkeit merklich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 ge kennzeichneten Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Mehrkanalströmungsmeßprinzip ist in Fig. 7 darge stellt. Beispielsweise erhält man die gesamte mittlere Strö mungsgeschwindigkeit V_s des Querschnitts wie folgt: nachdem viele Strömungsgeschwindigkeiten V1, V2, . . . V5 längs einer Anzahl von Sehnen entsprechend gemessen wurden.

Die Integralgleichung kann durch zwei Verfahren berechnet werden. Entweder durch ein Annäherungsintegralverfahren oder eine Kurvenfunktion V(r), längs der gestrichelten Linie in Fig. 7, wobei H eine vorbestimmte Funktion dar stellt. Je größer die Anzahl der Kanäle ist, um so kleiner ist der Fehler in der Integralgleichung (17).

Wie oben erläutert, ist es, wenn ein Ultraschallvibrator auf der Außenwand eines Rohres befestigt wird, um die mitt lere Strömungsgeschwindigkeit längs der Sehne des Rohres zu messen, schwierig, den Ultraschall in die Flüssigkeit zu überführen. Auch wenn der Ultraschallimpuls in Flüssigkeit abgegeben wird, kann er nicht den anderen auf der gegen überliegenden äußeren Wand des Rohres befestigten Ultra schallvibrator erreichen. Somit sind die zwei einfachsten Gegenmaßnahmen folgende:

Zuerst werden, wie in Fig. 8 dargestellt, an der Rohrwand 3 rechte Winkel zur Richtung des Ultraschallstrahls an den Stellen, an denen die Ultraschallvibratoren 1 und 1' be festigt werden sollen, ausgebildet. In diesem Fall wird die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung gestört, so daß sie nicht die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung gemäß Fig. 7B darstellt. Diese erhöht den Annäherungsintegralfehler.

Zweitens werden, wie in Fig. 9 dargestellt, in den Rohr wänden Löcher ausgebildet, um die Ultraschallvibratoren 1 und 1' darin einzusetzen. Die Ultraschallvibratoren 1 und 1' stehen dabei in direkter Berührung mit der Flüssigkeit. Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist es relativ einfach, einen Winkel Θ und ein Strecke L zwischen den Ultra schallvibratoren zu messen, und es ist ebenfalls aufgrund der mangelnden Ausbreitungszeit t_s bequem, jedoch sind die Ultraschallvibratoren 1 und 1' in einem bestimmten Win kel in den Öffnungen befestigt, so daß die Räume 5 und 5' zwischen den Rohrwänden 3 und den Ultraschallvibratoren 1 und 1' ausgebildet werden. Dies bewirkt eine Wirbelströmung in den Räumen 5 und 5', was zu einer Störung der Strömungs geschwindigkeitsverteilung führt. Es wurde aufgrund dieser Probleme daher gefordert, daß die Ultraschallvibratoren auf der Außenwand eines Rohres befestigt sein sollten. Die Wir kung der Wirbelströmung ist jedoch unbedeutend, wenn der Rohrdurchmesser groß ist, wenn jedoch die Wirkung der Wir belströmung in relativ kleinen Rohren vernachlässigt wird, tritt ein ergänzender Strömungsmeßfehler auf. Obwohl die Räume 5 und 5' mit irgendeinem Füllstoff ausgefüllt werden können, ist es wiederum problematisch, da die Akustikeigen schaften des Füllstoffs sich nachteilig auswirken können, wie z. B. durch Erzeugen einer Reflexion eines Ultraschall strahls oder des Nichtreflektierens des Ultraschallstrahls zum beabsichtigten Ort.

Aufgrund der Erfindung werden ein Strömungsmeßverfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung der gesamten mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströmungsfläche geschaffen, wodurch der Strömungsmeßfehler vermindert wird, ohne daß ein Korrekturverfahren durch das Standardströ mungsmeßgerät durchgeführt werden muß.

Weiterhin werden ein Strömungsmeßverfahren und eine Vor richtung geschaffen, mit welchen eine genaue Messung der gesamten Verzögerungszeit des Strömungsmeßgerätes, der wesentlichen Ultraschallausbreitstrecke und des Winkels entsprechend der genau zu messenden Flüssigkeit ermöglicht wird.

Die Erfindung umfaßt mehrere Ultraschallvibratorgeräte, die rings um den Umfang eines großkalibrigen Rohres in vorbe stimmten Abständen befestigt sind, wobei die Ultraschallvi bratorgeräte in Abständen von l = 2R/(N + 1) angeordnet sind, wobei ein Radius R auf einer Seite von der Mitte des Durchmessers zum Umfang des Rohres berechnet wird, und an dere Ultraschallvibratoren in Abständen von l' = R/(N + 1) auf dem Radius auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden, wodurch die Meßwirkung der Mehrkanalultraschallvi bratoren doppelt verstärkt wird; die Ultraschallvibratoren umfassen Ultraschall erzeugende Vibratoren und Ultraschall empfangende Vibratoren, die in einer abwechselnden Anord nung betrieben werden, um eine gegenseitige Störung zu ver meiden.

Auch wenn die Ultraschallvibratorgeräte auf der Außenwand des Rohres befestigt werden, werden sie in ihre entspre chenden Löcher in dem Rohr in vorbestimmten Winkeln zur Mittellinie des Rohres eingesetzt. Das Ultraschallvibra torgerät umfaßt einen in die Rohrwand einzusetzenden Körper; eine erste Kammer besteht aus einem Teil des Kör pers zur Aufnahme eines Ultraschallvibrators; eine zweite Kammer besteht aus einem Teil des Körpers zur Aufnahme eines Blocks, der den gleichen akustischen Widerstand wie die in dem großkalibrigen Rohr zu messende Flüssigkeit aufweist, wobei der Ultraschallvibrator und der Block in einander integriert sind und der Block in den Körper ein gepaßt oder im Körper mittels einer Lagerung gelagert wird, wobei dessen Oberfläche mit der Innenfläche des Rohres fluchtet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Trennwand zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer statt des Blocks vorgesehen, in der zweiten Kammer ist ein Einlaß und ein Auslaß ausgebildet und ein transparentes Teil ist auf den oberen Abschnitt der zweiten Kammer aufgesetzt. Weiter kann der Block sich in die Innenwand des Rohres erstrecken, um das Strömungsmeßgerät an einer vorbestimmten Strecke zu korrigieren (ΔL), um genau die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr zu messen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht zur Darstellung des Prinzips eines üblichen Einkanalultraschallströmungs-Meßgerä tes;

Fig. 2 eine Ansicht zur Darstellung der Lage eines Ultraschallvibrators eines üblichen Einkanal ultraschallströmungs-Meßgerätes;

Fig. 3 eine Ansicht zur Darstellung des üblichen Ein kanalultraschallströmungs-Meßgerätes, das an der Rohrwand abweichend von der Durchmesserlinie be festigt ist;

Fig. 4 eine Ansicht zur Darstellung der Strömungsge schwindigkeitsverteilung entsprechend der Strö mungsänderung in dem Rohr;

Fig. 5 und 6 Ansichten zur Darstellung der Ausbreitung der Bahnen des Ultraschalls in einem großkalibrigen Rohr;

Fig. 7, A und B Ansichten zur Darstellung des Prinzips der Mehr kanalströmungsmessung gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine Ansicht zur Darstellung der Ausführungsform der an der Außenwand des Rohres befestigten Ultraschallvibratoren;

Fig. 9 eine Ansicht zur Darstellung einer weiteren Aus führungsform der in Löchern befestigten Ultra schallvibratoren, die in der Außenwand des Rohres angeordnet sind;

Fig. 10 eine Ansicht zur Darstellung einer Ausführungs form von einem Ultraschallvibratorgerät, das in Löchern befestigt ist, die in der Außenwand des Rohres angeordnet sind, gemäß der Erfindung;

Fig. 11 A und B Ansichten zur Darstellung einer weiteren Ausfüh rungsform des Ultraschallvibratorgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 12 eine Ansicht zur Darstellung einer weiteren Aus führungsform des Ultraschallvibratorgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 13 A und B Ansichten zur Darstellung der Anordnung der Ultraschallvibratoren rings um den Umfang eines großkalibrigen Rohres gemäß dem Prinzip der Er findung;

Fig. 14 eine Ansicht zur Darstellung der Ausbreitungs richtung der Ultraschallimpulse von den Ultra schallvibrator gemäß dem Prinzip der Erfindung;

Fig. 15 eine Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zur Entfernung von fehlerhaften Signalen, d. h. ande ren als den gewünschten Ultraschallimpulsen, wenn ein Rauschunterdrückungsschaltkreis gemäß der Er findung verwendet wird;

Fig. 16 eine Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zum Kompensieren der Ausbreitungszeit der Ultra schallimpulse gemäß der Erfindung;

Fig. 17 eine Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zum Messen der vorherigen Verzögerungszeit in einem Strömungsmeßschaltkreis, um die Ausbreitzeit des Ultraschallimpulses zu kompensieren, gemäß der Erfindung;

Fig. 18 eine Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zum Messen der vorherigen Verzögerungszeit, wenn der Ultraschallvibrator auf der Außenwand des Rohres nach dem Stand der Technik befestigt ist;

Fig. 19 eine Ansicht zur Darstellung der Ausführungsform des Ultraschallvibratorgerätes, wobei der Ultra schallvibrator um eine bestimmte Strecke L in das Rohr bewegt werden kann, gemäß der Erfindung; und

Fig. 20 eine Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zur Befestigung eines Ultraschallvibratorgerätes an einem Rohr in einer Mehrkanalanordnung gemäß der Erfindung.

Wie in Fig. 10 dargestellt, umfaßt ein Rohr 10 ein in einem Winkel an der Wand desselben angeordnetes Loch 11. Ein Ul traschallvibratorgerät 20 ist in einem vorbestimmten Winkel in das Loch 11 eingesetzt. In diesem Fall ist ein Block 17 mit einem Ultraschallvibrator 16 verbunden, um den Raum zwischen dem Ultraschallvibrator 16 und der Rohrwand aus zufüllen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Ein Ultra schallvibratorgerät 20 umfaßt einen Körper mit einer vorbe stimmten Länge, der in eine erste Kammer 14 und eine zweite Kammer 15 unterteilt ist.

Die erste Kammer 14 umfaßt einen hohlen Abschnitt zur Auf nahme des Ultraschallvibrators 16 und ein rings um den Innenumfang befestigtes Packungsmaterial 18 zur Lagerung des Blocks 17, wie weiter unten beschrieben.

Die zweite Kammer 15 umfaßt einen Hohlraum, der einen Teil des Lochs 11 einnimmt, dessen vordere Fläche eine horizon tale Oberfläche darstellt, die mit der Innenfläche der Rohrwand fluchtet. Der Block 17 wird in dem Hohlraum in Form eines Trapezoids gleicher Form eingesetzt, an dessen hinterer Fläche der Ultraschallvibrator 16 genau in der ersten Kammer 14 befestigt ist.

Andererseits weist der Block 17 einen Akustikwiderstand ρs Cs; (ρs - Dichte des Stoffes, Cs - Ultraschallgeschwin digkeit des Stoffes) auf, der gleich oder ähnlich dem (ρ_w C_w) der in dem Rohr strömenden Flüssigkeit ist. Wenn beispielsweise die Flüssigkeit Wasser ist, kann organisches Glas, z. B. Plexiglas®, das den gleichen aku stischen Widerstand wie Wasser hat, verwendet werden.

Fig. 11 stellt eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Ultraschallvibratorgerätes dar, in dem die gleichen Be zugszeichen gleiche Elemente wie bei der ersten Ausfüh rungsform bezeichnen.

Das Ultraschallvibratorgerät 20 umfaßt einen Körper 2, der in eine erste und eine zweite Kammer 14 und 15 unterteilt ist. Die erste Kammer 14 umfaßt einen in einem hohlen Ab schnitt derselben angeordneten Ultraschallvibrator 16 und die zweite Kammer 15 ist mit einem genau darin angeordneten Block 17 versehen, an dessen unterer Oberfläche der Ultra schallvibrator 16 befestigt ist. Eine Lagerung 19 ist rings um den Umfang der ersten Kammer 14 zur Lagerung des Blocks 17 befestigt.

Mindestens ein Hilfsteil 21, z. B. eine Dichtung ist zwi schen der unteren Fläche des Blocks 17 und der oberen Fläche der Lagerung 19 oder zwischen der abgestuften Vor sprungsfläche 22 und der oberen Erstreckung 23 der zweiten Kammer 15 angeordnet, wie weiter unten beschrieben. Der Block 17 erstreckt sich nach oben, um den abgestuften Vor sprung 22 auszubilden, der einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Blocks 17 hat, so daß er mit der in dem Rohr strömenden Flüssigkeit in Berührung kommt. Das rings um die abgestufte Fläche 21 angeordnete Hilfsteil 21 ist mit der Erstreckung 23, die sich in Richtung des inneren Teils der zweiten Kammer 15 erstreckt, gekuppelt. Auf diese Weise hält die zweite Kammer 15 fest den Block 17 mit der Erstreckung 23 und den Hilfsteilen 21.

Andererseits macht es diese Form schwierig, das Material des Blocks 17 so auszuwählen, daß es den gleichen akusti schen Widerstand (ρ_w C_w) wie die verschiedenen Flüssigkeiten hat. Der Block 17 besteht aus einem Materi al, das ungefähr den gleichen akustischen Widerstand wie die Flüssigkeit (ρ_w C_w) aufweist. Ebenfalls bewirkt der Block 17, daß die idealen Transversalwellen nicht durch seine konvexe (vorstehende) Oberfläche in die Flüs sigkeit übertragen werden. Daher umfaßt der Block 17 einen flachen, in der vorderen Fläche der zweiten Kammer 15 stromlinienförmig ausgebildeten Hohlraum 24, um sowohl eine wirksame Übertragung der Transversalwellen sicherzustellen, als auch die Wirkung auf die Strömungsgeschwindigkeitsver teilung so klein wie möglich zu halten. Die Bodenfläche des Hohlraums 24 ist parallel zur Oberfläche des Ultraschallvi brators 16 gehalten. Wenn weiter das Material des Blocks 17 durch die Flüssigkeitsströmung verschlissen ist oder infol ge einer Reaktion mit der Flüssigkeit korrodiert ist, kann die Oberfläche des Blocks 17 mit einem Material beschichtet werden, das dauerhaft ist und Antikorrosionseigenschaften aufweist. Wenn die Materialien, die für den akustischen Wi derstand der Flüssigkeit geeignet sind, jedoch nicht für den Block 17 geeignet sind, kann das Ultraschallvibrator gerät 20, wie in Fig. 12 dargestellt, konstruiert werden.

In Fig. 12 umfaßt ein Körper 11 eine erste Kammer 14 und eine zweite Kammer 15, die durch eine Trennwand 26 ge trennt sind. Ein Ultraschallvibrator 16 ist an der unte ren Fläche der Trennwand 26 in der ersten Kammer 14 ange ordnet. Die zweite Kammer 15 umfaßt einen darin ausgebil deten Hohlraumabschnitt 15 und eine in einer Ausnehmung 23 gelagerte Metallplatte 25, die sich vom Umfang des oberen Endes des Körpers 11 nach innen erstreckt. In der Wand des Körpers 11 sind Löcher 27 und 28 angeordnet, die es ermöglichen, daß die Flüssigkeit im Rohr mit der Flüs sigkeit im hohlen Abschnitt 24 in Verbindung tritt. Hier durch wird der Druck im Hohlraum 15 gleich dem der Flüs sigkeit im Rohr und die Drücke an beiden Seiten der dün nen Metallplatte 25 werden gleich. Auf diese Weise wird die Metallplatte 25 nicht gebrochen oder zerstört oder verbogen. Die Metallplatte 25 kann natürlich dünner sein, jedoch wird ihre Dicke vorzugsweise so ausgewählt, daß sie in der Lage ist, eine maximale Ultraschallmenge durchzu leiten (bei Bedingungen, bei denen der Betreiber die Ultra schallwellenlänge kennt).

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß das Ultraschallvibratorgerät 20 eine Ausbreitungszeit t_s bewirkt, welche ebenso verzögert ist, wie bei dem Phänomen, das auftritt, wenn der Ultraschallvibrator 16 am Block 17 befestigt ist. Es muß daher vorher die erforderliche Zeit gemessen werden, die der Ultraschall benötigt, um durch den Block zu gelangen. Das Meßverfahren wird weiter unten be schrieben.

Das wie oben beschrieben konstruierte Ultraschallvibrator gerät 20 ist erfindungsgemäß angeordnet, um die Strömungs geschwindigkeit in einem großkalibrigen Rohr zu messen. Die Erfindung betrifft ein Mehrkanalströmungsmeßgerät, das eine Vielzahl von Ultraschallvibratorgeräten umfaßt, die rings um den Umfang des Rohres in einer vorbestimmten An ordnung befestigt sind, um die verschiedenen Strömungsge schwindigkeiten zu messen.

Ein Merkmal des Mehrkanalströmungsmeßgerätes ist, daß je größer die Anzahl der Kanäle an den Sehnen, die zur Mes sung der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt sind, ist, um so geringer der Meßfehler der mittleren Strömungsgeschwindig keit am gesamten Querschnitt des Rohres ist. Mit dem Mehr kanalströmungsmeßgerät erübrigt sich somit die Notwendig keit, eine Korrektur mit einem Standardströmungsmeßgerät vorzunehmen. Dies gestattet, das Mehrkanalströmungsmeßge rät als ein Ultraschallströmungsmeßgerät für ein großka libriges Rohr zu verwenden. Eine große Anzahl der Ultra schallkanäle für die zu messende Strömungsgeschwindigkeit bedingt einen großen Aufwand. Beispielsweise wird dadurch ein Schaltkreis für ein Ultraschallströmungsmeßgerät so wohl aufwendig und teuer. Um den Meßfehler zu vermindern, muß die Verzögerungszeit τ₀ unabhängig von der An zahl der Meßkanäle gleich gehalten werden. Es ist somit sehr ratsam, einen elektrischen Schaltkreis zu verwenden, und die Meßkanäle nacheinander zu schalten. Je größer je doch die Anzahl der Kanäle ist, um so länger dauert es, die Strömungsmessung durchzuführen.

Es ist sehr erwünscht, wenn die Auswahl der Lage der Ultra schallströmungsmeßkanäle, das heißt die genaue Auswahl der Befestigungslage der Ultraschallvibratoren eine Steigerung der Anzahl der Kanäle bewirkt. Das heißt, es wird angenom men, daß die Längsabmessung des Rohres lang genug ist, um die Symmetrie der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an beiden Seiten des Rohres in bezug auf den Durchmesser aus zubilden. Dann wird die Kanallage wie folgt ausgewählt: Zuerst wird die Durchmesserlinie als ein Kanal betrachtet, weil dort die Strömungsgeschwindigkeit am größten ist. Die Halbkreisabschnitte an sowohl der rechten und der linken Seite (oder der oberen und der unteren Seite) in bezug zur Durchmesserlinie haben die gleiche Anzahl von Kanälen (n = (N + 1)/2(N - die Gesamtzahl der Kanäle) die gemessen werden. Beispielsweise sind am linken Radius die Kanäle in folgenden Abständen angeordnet:

Am rechten Radius ist der letzte Kanal (die Sehnenlänge ist am kürzesten) wie folgt angeordnet:

Die darauffolgenden Kanäle sind so gebildet, daß die Ultra schallvibratoren in Abständen von l angeordnet sind.

Fig. 13 zeigt das Prinzip, wobei die an jedem Kanal gemes senen Strömungsgeschwindigkeiten in die Berechnung der ge samten Strömungsgeschwindigkeit V_s entsprechend der Querschnittsfläche des Rohres bei einer Anordnung von drei und fünf Kanälen eingeschlossen sind.

Um die gesamte mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_s zu berechnen, wird angenommen, daß die Strömungsgeschwindig keiten an vorbestimmten Stellen V₁, V₂, . . . V_n sind und die Strömungsgeschwindigkeiten V_+R und V_-R an den Punkten +R und -R Null sind. Diese Strömungsge schwindigkeiten werden in die Annäherungsintegralformel eingesetzt oder, nachdem sie in die Kurvenfunktion V(r) eingesetzt wurden, integriert. Dann werden die an dem rechten Radius gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten (V₃ an drei Kanälen, V₄ und V₅ an fünf Kanälen) in die Koordinaten entsprechend dem linken Radius (V₃', V₄', V₅', wie in Fig. 13 gezeigt) eingesetzt. Die am linken Radius gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten werden ähnlich in die Koordinaten entsprechend dem rechten Radius (V₁', V₂', wie in Fig. 13 gezeigt) einge setzt. Die letzten Kanäle (V₃ oder V₅) werden als 1' = 1/2 bestimmt, da die Strömungsgeschwindigkeitsvertei lung im mittleren Teil des Rohres genau durch die log- Funktion oder Exponentialfunktion ausgedrückt werden kann. Die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Rohrwand ändert sich jedoch entscheidend entsprechend der Reynolds-Zahl (Re), so daß es schwierig ist, sie durch eine einfache logoder Exponentialfunktion auszudrücken. Wenn der Meßwert an oder in der Nähe der Rohrwand, wie mit einer ge strichelten Linie benachbart zur linken Kurve in Fig. 13 dargestellt, unzureichend ist, kann der Integrationsfehler groß sein.

Wie oben beschrieben, werden die mittels der vorbestimmten Kanalanordnung erhaltenen Strömungsgeschwindigkeiten in den linken und rechten Koordinaten verwendet, wodurch der Feh ler der Integrationsberechnung für die gesamte mittlere Strömungsgeschwindigkeit entscheidend vermindert wird. Wie in Fig. 13 dargestellt, bewirkt die Anordnung von drei Ka nälen die Fünfkanal-Strömungsgeschwindigkeitsmessung und die Anordnung von fünf Kanälen die Neunkanal-Strömungsge schwindigkeitsmessung. Das heißt, die mittlere Strömungs geschwindigkeits V_s wird auf der Grundlage von sieben Datenpunkten an drei Meßkanälen oder elf Datenpunkten an fünf Meßkanälen berechnet unter der Annahme, daß die Strö mungsgeschwindigkeiten V_+R und V_-R an oder in der Nähe der Rohrwand Null sind. Dies ermöglicht, daß der Strö mungsmeßbereich sehr weit vergrößert werden kann, daß der Aufbau des Strömungsmeßgerätes einfacher wird und die Her stellungskosten vermindert werden.

Wenn weiter die Ultraschallabtastung des Mehrkanalströ mungsmeßgerätes durchgeführt wird, soll darauf hingewiesen werden, daß, wenn die Ultraschallvibratoren nacheinander an jedem Kanal betrieben werden, sich die Strömungsmeßzeit verlängert, während, wenn alle Vibratoren gleichzeitig be trieben werden, gegenseitige Beeinflussungsphänomene unab dingbar sind. Um somit den Empfang einer Interferenz zu vermeiden, müssen die Ultraschallfrequenzen an jedem Kanal auf voneinander unterschiedliche Zeiten eingestellt werden. Hierbei wird die Meßzeit gegenüber dem Nacheinanderbetrei ben der Ultraschallvibratoren verkürzt, jedoch erzeugt der Schaltkreis zum Empfang der Ultraschallimpulse und zum Er zeugen der Zeitmeßsteuerimpulse, wenn die Differenz zwi schen den Freqenzen f1, f2 . . . fn höher eingestellt wird, einen Fehler von einer Periode. Somit wird die Ultraschall impulsperiode für jeden Kanal geändert und ihre Berichti gung ist schwierig. Wenn im Gegensatz dazu die Frequenz differenz klein ausgewählt wird, wird ein schmaler Band filter verwendet und es entsteht eine starke Verzerrung des Empfangssignals, so daß der Zeitmeßfehler groß sein kann.

Um diese Nachteile zu vermeiden, werden die Übertragungs richtungen von benachbartem Ultraschall bei jedem Kanal umgekehrt, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Hierdurch wird der Abstand zwischen den Kanälen, in denen der Ultra schall in der gleichen Richtung übertragen wird, größer, wodurch eine Interferenz zwischen den Ultraschallimpulsen verhindert wird, obwohl die Ultraschallfrequenz-Differenz zwischen den Kanälen klein ist.

Wenn weiter irgendein Rauschdämpfungsschaltkreis verwendet wird, ist die Wirkung auf die Verminderung des Strömungs meßfehlers groß. Beispielsweise wird der Ultraschallimpuls an jedem Kanal zur Zeit der maximalen Strömungsgeschwindig keit oder der maximalen Strömungsmenge übermittelt, während der Empfangsunterbrechungsimpuls im Empfangsschaltkreis er zeugt wird, wodurch der Rauscheingang vor dem Erreichen des Signals gesperrt wird (siehe Fig. 15).

Andererseits müssen die Ausbreitungszeit t_s des durch einen Block hindurchgehenden Ultraschallsignals die in einem Elektronikschaltkreis erzeugte Verzögerungszeit τ₀ und die Strecke L₀ des durch die Flüssigkeit hindurchgehenden Ultraschallsignals gemessen werden, da sie sich auf den Korrekturtest eines Ultraschallströmungsmeß gerätes beziehen. Hierbei werden die Ausbreitungszeit t₂ und die Verzögerungszeit τ₀ vorher genau gemessen und die gemessenen Werte werden in ein Ultraschallströ mungsmeßgerät eingegeben, das für die Berechnung der Strö mungsgeschwindigkeit oder der Strömungsmenge wie oben er wähnt korrigiert werden muß (siehe Formel 13 und 14).

Da die Blockoberfläche eine geneigte Fläche ist, hat der Block nicht überall dieselbe Dicke. Der Ultraschallimpuls wird nicht nur an der steigenden Kante zum Zeitpunkt der Ausbreitung durch die konvexe Fläche eines Blocks und dann beim Durchgang durch die Flüssigkeit verzerrt, sondern wird ebenfalls an der steigenden Kante zum Zeitpunkt des Errei chens des anderen Blocks bei der Eingabe in einen Empfangs vibrator verzerrt. Dies hat eine nachteilige Wirkung auf die Verzögerungszeit τ_o bei der Erzeugung des Be triebs der Anfangs- und Endimpulse durch ein Zeitmeßsteuer gerät, wie zum Beispiel einen Zeitgeber. Auch wenn bei spielsweise die Blöcke mit umgekehrter Symmetrie, wie in Fig. 16 dargestellt, einander gegenüberliegend angeordnet sind, wird die Signalverzerrung nicht an der Empfangsseite kompensiert. Es ist der gleiche Effekt, wenn die Ultra schallsignale an der Außenwand eines Rohres durch eine Be festigung empfangen werden. Es muß daher die Ausbreitungs zeit "t_s" des durch einen Block hindurchgehenden Ultra schallimpulses, einschließlich eines Ultraschallvibrator gerätes, und die im Strömungsmeßkreis erzeugte Verzöge rungszeit τ_o vorher gleichzeitig in der Flüssig keit gemessen werden. Eine Zeit "t_o" wird beispiels weise durch die Formel t_o = 2t_S + τ_o wie folgt berechnet:

Wie in Fig. 17 dargestellt, wird ein Wasserbehälter 30 mit Flüssigkeit 31 gefüllt, und die entsprechend an Blöcken 17 angebrachten Ultraschallvibratoren 16 und 16' werden auf der gleichen Linie in einem vorbestimmten Abstand L₁ voneinander angeordnet. Der Abstand L₁ wird ungefähr auf den geometrischen Abstand eingestellt, mit dem die Ultraschallvibratoren an dem zu messenden Rohr befestigt werden.

Die Ultraschallvibratoren 16 und 16' sind elektrisch mit einem Strömungsmeßschaltkreis 34 verbunden. Der Strömungs meßschaltkreis 34 umfaßt einen Zeitgeber 35, der einem Zeitdifferenz-Standardmeßgerät 33 einen Zeitmeßimpuls-, einen Endimpuls- und einen Anfangsimpulssatz eingibt. Das Zeitdifferenz-Standardmeßgerät 33 mißt die Ausbreitungs zeit t₁ der Ultraschallimpulse, die wiederholt von dem Ultraschallvibrator 16 zum Ultraschallvibrator 16' oder von dem Ultraschallvibrator 16' zum Ultraschallvibrator 16 übertragen werden. Die gemessene Zeit t₁ berechnet sich wie folgt:

Der Fehler des Zeitdifferenz-Standardmeßgerätes 30 wird vernachlässigt. Im folgenden wird der Ultraschallvibrator 16' um t_o nach rechts um eine Strecke L₂ in der Zeichnung bewegt. Dann wird die Ausbreitungszeit t₂ wie folgt berechnet:

Hierbei stellt C_w die Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit dar. Formel 20 wird dann von der Formel 21 wie folgt subtrahiert.

Die Zeitformel (22) (zum Durchlaufen der Strecke L₂ in der Flüssigkeit) wird wie folgt ausgedrückt:

Formel (23) wird in Formel (20) wie folgt eingesetzt:

Ähnlich muß der Strömungsberechnungs-Algorithmus eines Ein kanal-Ultraschallströmungsmeßgerätes, bei dem ein Ultra schallvibrator an einer Wand 3 eines Rohres mittels einer Befestigung 2 befestigt ist, mit der mittels der oben be schriebenen Verfahren gemessenen Zeit berichtigt werden. Die Messung der Zeit muß mit den Befestigungen, einschließ lich eines Teils der in einem Flüssigkeitsbehälter zusammen mit dem Ultraschallvibrator angeordneten Wand, wie oben be schrieben, durchgeführt werden. Ebenfalls betrifft die Mes sung der tatsächlichen Strecke L_o, die der Ultraschall strahl durch die Flüssigkeit hindurchgeht, einen Korrektur test. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 5A und B beschrieben, ist bei der tatsächlichen Strecke L_o, da der Durchmes ser größer wird und die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, die geometrische Strecke L zwischen den den Ultraschall strahl empfangenden Blockflächen nicht gleich der Ausbrei tungsstrecke L_o des Ultraschallstrahls, so daß die Aus breitungsstrecke L_o größer als die tatsächliche Strec ke L ist (L_o < L). Die Ausbreitungsstrecke L_o kann nicht auf geometrische Weise gemessen werden. Theoretisch kann die Ausbreitungsstrecke L_o mit Formeln der Funk tionen, wie zum Beispiel einem Winkel Θ, einer Strö mungsgeschwindigkeit V_i, dem Innendurchmesser des Roh res (D = 2R) und einer Ultraschallgeschwindigkeit f in der Flüssigkeit C_w berechnet werden, jedoch ist die direkte Messung durch Experimente zuverlässiger und genauer.

Das Meßverfahren der Ausbreitungsstrecke L_o wird fol gendermaßen durchgeführt:

Wie in Fig. 19 dargestellt, umfaßt ein Rohr 3 an vorbe stimmten Stellen angeordnete Löcher 11, an denen ein Ultra schallvibratorgerät 20 befestigt ist. Eine Aufnahme 36 ist in die Löcher 11 zur Bildung eines Rohres eingesetzt, von dem sich ein Teil um eine vorbestimmte Länge nach außen er streckt. Die Aufnahme 36 umfaßt das mit dem Ultraschallvi brator 16 versehene Ultraschallvibratorgerät 20, wobei der Ultraschallvibrator 16 so angeordnet ist, daß er darin gleiten kann. Der Ultraschallvibrator 16 wird an der Mit tellinie der Aufnahme 36 angeordnet, so daß er sich um die Strecke L in der Aufnahme 36 bewegen kann.

Nachdem das Ultraschallvibratorgerät 20 in der Aufnahme 36 montiert ist, wird eine bestimmte Zeit lang Flüssigkeit in das Rohr 3 eingegeben, so daß die Flüssigkeit, das Rohr 3 und der Ultraschallvibrator 16 bei gleicher Temperatur ge halten werden. Darauf wird die Flüssigkeitsströmung durch Schließen eines Flüssigkeitzuführventils unterbrochen, so daß die Strömungsgeschwindigkeit Null ist (V_s = 0).

Dann wird der Ultraschallimpuls von dem Ultraschallvibrator 16 zu dem Ultraschallvibrator 16' oder von dem Ultraschall vibrator 16' zum Ultraschallvibrator 16 geleitet, um die Ausbreitungszeit t₁ des Ultraschallvibrators mittels eines Standardzeit-Differenzmeßgerätes zu messen. Nach Beendigung der Messung wird der Ultraschallvibrator 16 in das Rohr gedrückt, wobei die Strecke L und die Ausbrei tungszeit t₂ des Ultraschallimpulses genau gemessen werden. Darauf wird der Ultraschallvibrator 16 in die Aus gangslage zurückgeführt.

Aufgrund der Meßwerte der Ausbreitungszeit t₁ und t₂ und der Strecke L wird die Ultraschallgeschwindig keit C_w der Flüssigkeit wie folgt berechnet:

Hierbei wird die Zeit t_o gegenseitig gestrichen. Die Zeit t₁ wird nacheinander in jedem Kanal gemessen. Die Strecke L_i für jeden Kanal wird wie folgt berechnet:

Hierbei ist i eine Kanalzahl und C^o _w ist eine mit tels der Formel (25) berechnete Ultraschallgeschwindigkeit, wobei die Zeit t_o unter Verwendung der Formel (t_o = 2t_s + τ_o) vorher gemessen wurde.

Wenn somit die Strömungsgeschwindigkeit V_i Null ist (V_i = 0), kann die Ausbreitungsstrecke L_i des Ultraschallsignals in der Flüssigkeit wesentlich genauer durch die Ultraschalltechnologie gegenüber den Messungen der geometrischen Streckenberechnung oder die Verwendung von irgendwelchen Regeln und so weiter gemessen werden.

Nach Beendigung der Messung der Zeit t_1i für die Strec ke L_i an jedem Kanal wird die maximale Strömung im Rohr durch Öffnen des Flüssigkeitszuführventils oder einer Be triebspumpe sichergestellt. Unter diesen Bedingungen wird der Ultraschallimpuls in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung übertragen und dann die Zeiten t₊₁ und t_-1 gemessen. Hierbei soll darauf hingewiesen wer den, daß die Zeitmessung mehrmals zehnmal durchgeführt wird, um einen Mittelwert zu erhalten, wodurch die Möglich keit eines zufälligen Fehlers vermindert wird.

Die Ausbreitung der tatsächlichen Strecke L_o des Ultra schallimpulses während die Flüssigkeit strömt, wird wie folgt berechnet:

Zuerst wird die Ultraschallgeschwindigkeit C'_w unter Verwendung für bei der Strömungsgeschwindigkeit V_i gleich Null vorher gemessener Strecke L_i berechnet. Beispielsweise wird die Ultraschallgeschwindigkeit C'_w angenommen als:

Wenn L = L_o, ist C'_w gleich C^o _w (C^o wird mittels Formel 25 berechnet). Wenn jedoch L = L_o ist, ist C'_w nicht gleich C^o _w. Die Formel lautet wie folgt:

Das heißt mit anderen Worten, wenn C'_w ≠ C^o _w ist, ist L ≠ L_o. Somit ist das Verhältnis der Formeln 28 und 27, das zur Berechnung der Strecke L_o erhalten wird, wie folgt:

Die Unbekannte hier ist V_i. Andererseits überschreitet die Ultraschallgeschwindigkeit C_w in der Flüssigkeit 1000 Meter/Sekunde (m/s), jedoch ist die Strömungsge schwindigkeit V_i unter normalen Bedingungen geringer als 10 m/s (V_i < 10 m/s). Der Wert von V² _i/C² _w ist somit sehr klein. Wenn bei spielsweise die Ultraschallgeschwindigkeit C^o _w = 1450 m/s und die Strömungsgeschwindigkeit V_i = 10 m/s beträgt, beträgt der berechnete Wert 50 . 10^-6 (10²/1450²).

Auch wenn die Differenz zwischen den Ultraschallge schwindigkeiten C'_w und C^o _w klein ist, kann der Wert von V² _i/C² _w vernachlässigt werden.

Hierdurch erhält man folgende Formel:

Wie oben beschrieben, wird die tatsächliche Strecke L_oi theoretisch mit der Formel (29) berechnet, jedoch werden die Meßfehler der Ultraschallgeschwindigkeiten C^o _w und C_wi akkumuliert. Es ist daher besser, die folgende Formel anstelle von Formel (29) zu verwenden (in der der Wert von V²/C² vernachlässigt ist).

Es ist daher darauf hinzuweisen, daß es die Formel (30) er möglicht, die festen Meßfehler der Ultraschallgeschwindig keiten C^o _w und C_wi gegeneinander aufzuheben.

Wenn weiter die Strömungsmenge klein ist, kann die tatsäch liche Strecke L_oi gleich L_i betrachtet werden (L_oi = L_i). Zum Zeitpunkt der größten Strömungs menge ist die tatsächliche Strecke L_oi gleich L_i + δL. Es wird angenommen, daß L_o = f(Q) die lineare Funktion ist, die vorher im Rechnerteil eines Ul traschallströmungsmeßgerätes gespeichert wurde. Ein zwi schen einer Linie L_i und der Mittellinie des Rohres ge bildeter Winkel Θ muß nicht berichtigt werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird der mit dem Winkel Θ + ΔΘ übertragene Ultraschallstrahl an der anderen Seite mit ei nem Winkel Θ - ΔΘ empfangen. Auch wenn der Winkel ΔΘ nicht genau gleich dem Winkel ΔΘ' ist, so sind sie sehr ähnlich. Somit heben sich die Winkel gegen einander auf. Der Winkel Θ wird unter Verwendung einer Winkelfunktion wie folgt berechnet:

Hierbei ist l_i die Länge einer Sehne jedes Kanals. Die Sehnenlänge l_i auf der Durchmesserlinie ist D (l_i = D), wobei D der Innendurchmesser des Rohres ist. Der Win kel Θ wird sehr genau in bezug auf den Innen- und Außen durchmesser des Rohres und den relativen Lagen der Ultra schallvibratoren bestimmt. Dies deshalb, weil es für ein Standardzeitmeßgerät sehr einfach ist, die Ausbreitungszeit des Ultraschallimpulses mit einer Genauigkeit über 10-3% zu messen.

Wie in Fig. 20 dargestellt, wird ein Ultraschallvibratorge rät 20 mit einem Ultraschallvibrator, der einen Kanal längs der Durchmesserlinie des Rohres bildet, in irgendeiner der Aufnahmen 36 von seiner Ausgangslage in einem Abstand ΔL zur Messung der Strecken L_ound L_oi und der Ultra schallgeschwindigkeit C_w eingesetzt. Eine Einrichtung zur Messung der Strecke ΔL wird auf der Außenwand des Rohres oder in der Aufnahme 36 montiert. Der Abstand L ist ein Viertel des Innendurchmessers des Rohres, wenn der Rohrdurchmesser klein ist, oder er liegt etwa bei 150 mm, wenn der Rohrdurchmesser groß ist. Die genaue Messung des Abstandes ist in technischer Hinsicht kein Problem (mit einem Fehler von weniger als 0,05%). Auch wenn der Abstand ΔL = 150 mm beträgt, beträgt die Ausbreitungszeitdiffe renz der Ultraschallgeschwindigkeit in Wasser ungefähr 10^-4 s, und mit der vorhandenen Technologie eines Zeit differenzmeßgerätes kann der Abstand ΔL bis zu einer Genauigkeit von 10^-8 s gemessen werden.

Die Erfindung vermindert somit entscheidend die Meßfehler für die Parameter t_o, L_o, C_w, Θ, da die Mes sung der Strömungsgeschwindigkeit als ein grundsätzlicher Fehler bei der Berechnung der Strömungsmenge angesehen wird.

Im folgenden soll der Meß-(Berechnungs-)Fehler der gesamten mittleren Strömungsgeschwindigkeit V_s bezogen auf die gesamte Querschnittsfläche der Flüssigkeit diskutiert wer den. Das heißt ein Kanal des Ultraschallströmungsmeßgerätes bewirkt den Strömungsmengen-Koeffizienten mq oder den Strömungsgeschwindigkeits-Koeffizienten m_v, der mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit multipliziert werden muß, um die gesamte mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_s zu berechnen, wobei er der fundamentale Grund für den Strömungsmeßfehler darstellt, da der Koeffizient keine ganze Zahl innerhalb des Strömungsmeßbereichs ist und sich entsprechend den anderen Faktoren ändert. Im Gegensatz zu dem Strömungsmeßgerät ermöglicht ein Mehrkanalströmungs meßgerät die mittlere Strömungsgeschwindigkeit an mehreren unterschiedlichen Querschnittszonen zu messen und führt eine angenäherte Integrationsberechnung auf der Grundlage der gemessenen Ergebnisse durch, um die gesamte mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_s zu erhalten, in der der angenäherte Integrationsfehler als grundsätzlicher Fehler bei der Strömungsmengenberechnung angesehen werden kann.

Der angenäherte Integrationsfehler muß somit genau unter sucht werden, um den Fehler der Strömungsmessung zu be stimmen. Der angenäherte Integrationsfehler kann entspre chend folgendem Verfahren herausgefunden werden.

Wie in Fig. 4 dargestellt, werden eine Vielzahl von Strö mungsgeschwindigkeitsverteilungen entsprechend den Strö mungsmengenänderungen (Änderungen in der Reynoldszahl (Re) werden theoretisch durchgeführt und genau mittels Formel (16) integriert, um die theoretische mittlere Querschnitts strömungsgeschwindigkeit V^o _s zu berechnen) bestimmt. Darauf werden in der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten V_i berechnet, zum Beispiel das elektrische Signal, welches der ange näherten Eingabe des Integrationsschaltkreises entspricht, wie zum Beispiel Δt_i, ΔF_i usw. Dann werden die Signale entsprechend den berechneten Werten einem angenäherten Integrationsschaltkreis eingegeben. Das Mehr kanalströmungsmeßgerät benötigt keinen Korrekturtest durch das direkte Standardströmungsmeßgerät unabhängig vom Durch messer des Rohres. Die Erfindung erleichtert ebenfalls die Erfassung der Meßfehler der Parameter t_o, L_i, L_o, Θ usw. Die Meßfehler der Zeiten t₊ und t_- und die Frequenzen f₊ und f_- werden bekannt und der angenäherte Integrationsfehler liefert den Gesamt fehler der zu berechnenden Strömungsmessung.

Wie oben erläutert, ermöglicht ein Mehrkanal-Ultraschall strömungsmeßgerät die Erfassung des Strömungsmeßfehlers mit einer hohen Zuverlässigkeit ohne eine Korrektur durch das klassische Standard-Strömungsmeßgerät. Das Mehrkanal-Ultra schallströmungsmeßgerät hat einen weiten Anwendungsbereich nicht nur für ein großkalibriges Rohr, sondern ebenfalls als Standard-Strömungsmeßgerät zur Berichtigung eines ande ren eingebauten Strömungsmeßgeräts.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Durchflußmenge eines groß kalibrigen Rohres, bei dem
eine Vielzahl von Ultraschallvibratoren am rechten und am linken Rand des Kreisumfangs in einer Vielzahl von Kanälen mit Bezug zur Durchmesserlinie des Rohres be festigt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Kanal längs der Durchmesserlinie des Rohres angeordnet wird,
daß ein Teil weiterer Kanäle auf der einen Seite des Radius (R) mit Abständen l = 2R/(N + 1) angeordnet wer den, wobei N die Anzahl der Kanäle ist,
daß auf der anderen Seite des Radius (-R) ein zweiter Kanal mit einem Abstand l' = l/2 von der Rohrwand ange ordnet wird und andere weitere Kanäle in einem Abstand l von dem zweiten Kanal angeordnet werden,
daß die Ausbreitungszeit in jedem Kanal gemessen wird, daß die auf der einen Seite des Radius (-R) gemessenen Ausbreitungszeiten auch in die Koordinaten der anderen Seite des Radius (R) übertragen werden,
daß die Durchflußmenge auf der Grundlage der gemesse nen Ausbreitungszeiten und der in die andere Rohr hälfte übertragenen Ausbreitungszeiten berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge mit einer Integration berechnet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem mit Flüssigkeit gefüllten Rohr die Fließ geschwindigkeit V_s auf Null gesetzt wird,
daß die Ausbreitungszeit t_D zwischen den auf der Durchmesserlinie montierten Ultraschallvibratoren gemessen wird,
daß einer der Ultraschallvibratoren um eine exakt bestimmte Distanz ΔL in das Rohr hineingeschoben wird und die Ausbreitungszeit t_Δ _L der Ultra schallpulse gemessen wird und auf dieser Basis die Ultraschallgeschwindigkeit C_W wie folgt bestimmt wird:
daß die Distanz L_D zwischen den Ultraschallvibra toren auf der Durchmesserlinie unter Benutzung der Ultraschallgeschwindigkeit C_W und der Ausbreitungs zeit t_D wie folgt berechnet wird:
L_D = C_W(t_D - t₀),
wobei t₀ eine Verzögerungszeit ist,
daß die Ausbreitungszeiten t_i aller anderen Ultra schallvibratorpaare in jedem Kanal gemessen werden und Distanzen L_i zwischen den Ultraschallvibratorpaa ren unter Benutzung der Ultraschallgeschwindigkeit wie folgt berechnet werden:
L_i = C_W(t_i - t₀),
daß die Durchflußmenge auf der Grundlage der gemesse nen Distanzen L_D und L_i berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Schritten

1. Messen der jeweiligen Ausbreitungszeiten t_+i und t_-i der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung,
2. Berechnen der Ultraschallgeschwindigkeit C'_wi, wenn die Ausbreitungsstrecke L_i eines Ultra schallsignals kürzer ist als die Strecke L_o, längs der sich ein Ultraschallsignal zu einem anderen Ultraschallvibrator ausbreitet, und wenn der Durchmesser sowie die Strömungsgeschwindig keit groß sind, nach
3. Messen der tatsächlichen Strecke L_oi, wenn die gemessene Ultraschallgeschwindigkeit C'_wi nicht gleich der gemessenen Ultraschallgeschwindigkeit C_w bei der Strömungsgeschwindigkeit V_i gleich Null ist, nach

5. Ultraschallströmungsmeßgerät zur Messung der Durchfluß menge in einem großkalibrigen Rohr mit einer Vielzahl von Ultraschallvibratoren, wobei jeweils zwei sich gegenüberliegende Ultraschallvibratoren einen Kanal bilden und Kanäle auf dem linken Rand und auf dem rechten Rand mit Bezug zur Durchmesserlinie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Kanal auf der Durchmesserlinie des Rohres angeordnet ist,
daß weitere Kanäle auf dem ersten Rand (R) in Ab ständen l = 2R/(N + 1) angeordnet sind, wobei N die Anzahl der Kanäle ist, und
daß auf dem zweiten Rand (-R) noch ein weiterer Kanal in einem Abstand l' = l/2 von der Rohrwand entfernt angeordnet ist.

6. Ultraschallströmungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Kanäle auf dem zweiten Rand (-R) in einem Abstand l von dem einen Kanal, der im Abstand l' von der Rohrwand angeordnet ist, angeordnet sind.

7. Ultraschallströmungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ultraschallvibratoren verschiebbar ange ordnet ist, so daß der Ultraschallvibrator um eine Strecke ΔL verschoben werden kann.