DE69417543T2

DE69417543T2 - Flüssigkeitsströmungsmesser

Info

Publication number: DE69417543T2
Application number: DE69417543T
Authority: DE
Inventors: James Digby Yarlet Wilburton Cambridge Cb6 3Pz Collier; Christopher Fen Drayton Cambridge Cb4 5Sl Davies; Christopher James Newton Woburn Sands Buckinghamshire Mk17 8Pg Fryer; Alain Henri Stansted Montfitchet Cm24 8Au Waha
Original assignee: G Kromschroeder AG
Current assignee: Elster Kromschroeder GmbH
Priority date: 1993-01-30
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2014-01-28
Also published as: WO1994017371A1; ES2131672T3; US5811689A; CN1116877A; JP3283519B2; DE69402534D1; AU5865094A; EP0681684A1; PL173732B1; SK95995A3; AU678807B2; CZ188195A3; EP0681685B1; DE69417543D1; US5777237A; FR2701111A1; EP0681685A1; FR2713761B1; FR2713761A1; FR2713763A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mediendurchflußmeßgerät, bei dem sich ein erster Schallwandler vor einem zweitem Schallwandler befindet und die Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen den Wandlern zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines zwischen ihnen strömenden strömungsfähigen Mediums eingesetzt wird.
Eine Ultraschall-Medienströmungseinrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, ist aus der EP-A-0347096 bekannt. Diese kann eingesetzt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit von Gas durch einen Durchgang mit bekannten Abmessungen zu messen. Durch Multiplikation der gemessenen Geschwindigkeit mit einem geschwindigkeitsabhängigen Koeffizienten läßt sich der Volumendurchfluß berechnen. Die beschriebene Einrichtung kann als Teil eines Haushaltsgaszählers eingesetzt werden.
Ein Nachteil bei dem Stand der Technik, d. h. der EP-A-0347096, besteht darin, daß der Volumendurchfluß durch Multiplikation der gemessenen Geschwindigkeit mit einem geschwindigkeitsabhängigen Koeffizienten berechnet werden muß. Die Beziehung zwischen gemessener Geschwindigkeit und Volumendurchfluß ist nichtlinear, was dieses Verfahren kompliziert und ungenau in der Praxis macht. Es ist daher vorteilhaft, in der Lage zu sein, eine genauere Methode zur Berechnung des Volumendurchflusses zur Verfügung stellen zu können.
Wie in "Theory of Transit Time Ultrasonic Flowmeters" ("Theorie der Laufzeit-Ultraschalldurchflußmeßgeräte") (J. Hemp, Cranfield Institute of Technology, 27. Juli 1981) beschrieben, ist unter bestimmten Strömungs- und akustischen Bedingungen die Phasenverschiebung einer ebenen Welle, die ein Rohr durchläuft, aufgrund der Strömung im Rohr proportional zum Volumendurchfluß allein. Dies ist auf die integrierenden Eigenschaften einer ebenen Schallwelle zurückzuführen.
Die Kompensation für außeraxiale Modi ist in WO93/00570 beschrieben. Bei dieser Methode wird ein "Ringaround"-Sendeverfahren eingesetzt, bei dem jedes vierte Wellenpaket in bezug auf die vorhergehenden Pakete mit dem Ziel invertiert wird, hierdurch die Auswirkungen der Fortpflanzung von Modi hoher Ordnung im Rohr auszuschalten.
Die US-A-4365518 offenbart ein Ultraschalldurchflußmeßgerät, bei dem der Strömungsweg durch das Meßgerät in eine Reihe von langgestreckten Rohre unterteilt ist, die in bezug auf die Ultraschallwellenlänge so ausreichend groß bemessen sind, daß sich die Ultraschalldruckwelle ohne wesentliche Verzerrung durch jedes Rohr fortpflanzt.
In der GB-A-2209216 werden nur ebene Wellen entlang des Strömungsweges gesendet, indem für Durchgänge mit einem Durchmesser unterhalb eines bestimmten kritischen Punktes gesorgt wird. Der Volumendurchfluß kann dann unmittelbar, ohne die Verwendung eines geschwindigkeitsabhängigen Koeffizienten, berechnet werden. Die höchste Genauigkeit wird erzielt, wenn das gemessene Signal dem direkten Übertragungsweg folgt, ohne durch konstruktive oder destruktive Echos modifiziert zu werden, durch die Phasenfehler ausgelöst würden. Indem also sichergestellt wird, daß die Signale dem direkten Weg folgen, kommt es durch die Modenunterdrückung deshalb auch zu einer Verbesserung der Genauigkeit. Allerdings sind die Strömungsdurchgänge im Strömungsrohr in einer dichtgepackten Anordnung so angeordnet, daß hierdurch in Durchgängen verschiedene Medienströmungswege mit unterschiedlichem radialen Abstand zur zentralen Achse des Strömungsrohrs geschaffen werden. Hierdurch kann es zu Fehlern bei der gemessenen Durchflußmenge kommen.
Erfindungsgemäß besteht ein Mediendurchflußmeßgerät aus zwei in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern; einer Sendeeinrichtung zur Sendung akustischer Signale in beide Richtungen durch das Medium mittels der Wandler; und einer Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung von Informationen über die Mediendurchflußmenge durch Überwachung der Laufzeitdifferenz der von den Wandlern empfangenen akustischen Signale, wobei ein Teil des Raumes zwischen den Wandlern einen Strömungsweg definiert, der aus einer Strömungsstruktur besteht, die eine Vielzahl paralleler Medienströmungsdurchgänge aufweist, welche axial in Richtung der Strömung verlaufen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsdurchmesser der Durchgänge und die von der Sendeeinrichtung erzeugten akustischen Signale so gewählt werden, daß lediglich im wesentlichen ebene Schallwellen durch die Durchgänge mittels des Mediums übertragen werden; sowie dadurch, daß sämtliche Medienströmungsdurchgänge in der Medienströmungsstruktur in im wesentlichen gleichen radialen Abständen von einer entlang des Strömungsweges verlaufenden zentralen Achse in der Weise angeordnet sind, daß unter Betriebsbedingungen jeder Durchgang gleichwertige Anteile an akustischen Signalen aufnimmt.
In der vorliegenden Anordnung nimmt jeder Durchgang einen repräsentativen Bruchteil der gesamten Durchflußmenge auf.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die vorliegende Erfindung eine Linearität von ±1% über 3 Dekaden erzielen.
Vorzugsweise weist jeder Durchgang einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Zwischenräume zwischen den Durchgängen abgesperrt sind, um zu verhindern, daß das Medium dort entlang strömt.
Die Verwendung von Durchgängen mit kreisförmigem Querschnitt bringt eine Reihe von Vorteilen gegenüber beispielsweise den in der GB-A-2209216 eingesetzten sechseckigen Querschnitten hervor. Insbesondere ermöglicht sie es, daß zwischen der Notwendigkeit zur Minimierung des Druckabfalles entlang des Strömungsweges und zur Maximierung der Phasenverschiebung ein optimaler Kompromiß erreicht wird.
Typischerweise wird die Erfindung erreicht, indem man einen symmetrischen Aufbau konfiguriert, wobei die Wandler mittig an den Enden des Strömungsweges angeordnet sind. Die Strömungsdurchgänge werden so angeordnet, daß sich ihre Mittelpunkte in gleichen radialen Abständen von einer die Mittelpunkte der Wandler verbindenden Linie befinden, und nehmen daher gleichwertige Strömungs- und akustische Felder auf, wenn die Strömung von äußeren Einflüssen befreit wird. Obwohl nicht unbedingt notwendig, läßt sich dies erreichen, indem in einer Einlaßkammer eine rotierende Medienströmung erzeugt wird, die im wesentlichen keine Geschwindigkeitskomponente in der axialen Richtung der Strömungsdurchgänge aufweist.
Es ist wünschenswert, akustische Echos außerhalb der Strömungsstruktur zu verhindern. Dies könnte beispielsweise erreicht werden, indem die Wandler ganz dicht an die Strömungsstruktur positioniert werden oder indem bei der Strömungsstruktur absorbierendes Material verwendet wird. Vorzugsweise weist die Strömungsstruktur jedoch jeweils entsprechend angewinkelte, ebene Flächen gegenüber den ankommenden akustischen Signalen auf.
Ein Mediendurchflußmeßgerät wie obenstehend beschrieben läßt sich auf eine kompakte Größe reduzieren (z. B. Ziegelsteingröße) und kostengünstig produzieren. Eine Einheit wie beschrieben ist für die haushaltliche Gasmessung sehr gut geeignet.
Ein sehr geringer Stromverbrauch, der einen langfristigen Batteriebetrieb ermöglicht, wird durch sehr effiziente elektro-akustische Signalumwandlung und einfache Datenverarbeitung erreicht.
Die Konstruktion ist unempfindlich gegen die Gaszusammensetzung, wenn sie als Gaszähler zum Einsatz kommt, und läßt sich für unterschiedliche Medien, einschließlich Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mediendurchflußmeßgerätes wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Gesamtsystems;
Fig. 2 einen Querschnitt der Durchflußsensorvorrichtung;
Fig. 3 eine spitz zulaufende Strömungsrohrkonstruktion;
Fig. 4 eine alternative spitz zulaufende Strömungsrohrkonstruktion;
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein vergleichendes Ausführungsbeispiel der Strömungsstruktur der Fig. 1 entlang einer Linie A-A, die kein Bestandteil der Erfindung ist;
und
Fig. 6 einen Querschnitt ähnlich wie Fig. 5, jedoch eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Durchflußmeßgerät besteht aus zwei Teilen: einem Durchflußsensor 1 und einem elektronischen Meßsystem 2. Das Medium tritt an einem Einlaß 3 in den Durchflußsensor ein und an einem Auslaß 4 wieder aus, nachdem es ein die Einlaßkammer 6 mit der Auslaßkammer 7 verbindendes Meßrohr 5 durchströmt hat.
Die Strömung wird im Durchflußsensor unter Verwendung von zwei Ultraschallwandlern 8 und 9 zum Senden und Empfangen von durch das Meßrohr laufenden Schallimpulsen gemessen. Die Zeitdifferenz Δt zwischen Sendung und Empfang wird vom elektronischen System 2 in Stromaufwärtsrichtung (+) und Stromabwärtsrichtung (-) gemessen. Aus diesen Messungen wird der Volumendurchfluß durch das Durchflußmeßgerät wie oben beschrieben bestimmt.
Das elektronische System 2 besteht typischerweise aus einem Signalgeber, der für die stromaufwärtsseitige Messung auf Wandler 8 aufgibt und für die stromabwärtsseitige Messung auf Wandler 9 umschaltet. Die akustischen Signale breiten sich durch das Meßrohr 5 aus und werden von dem anderen Wandler empfangen. Empfangene Signale werden digitalisiert und in eine Digitalsignalverarbeitungseinheit eingegeben, die ein Durchflußsignal ausgibt.
Einlaßkammer 6 ist ein zylinderförmiger Hohlraum, in den das durch Einlaß 3 hereinströmende Medium tangential eingedüst wird, um in der Kammer 6 eine rotierende Medienströmung zu erzeugen, die in der axialen Richtung des Meßrohrs 5 keine Geschwindigkeitskomponente aufweist. Hiermit wird bezweckt, Strömungsbeeinflussungen vor Einlaß 3 zu eliminieren beziehungsweise abzumildern, welche die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr 5 beeinträchtigen könnten.
Meßrohr 5 wird auf diese Weise wirkungsvoll von äußeren Störeinflüssen in der Eingangsströmung abgekoppelt, und die Medienströmung durch das Rohr erfolgt in Form einer symmetrischen Rotation um eine die Mittelpunkte der Wandler verbindende Linie 32.
Eine Innenrohrhalterung 10 kann so ausgeführt sein, daß jedes Signal vom direkten Weg wegreflektiert wird, so daß hiervon reflektierte Echos das Signal des direkten Wegs nicht beeinflussen, bis die Messung erfolgt ist. Durchführen läßt sich dies, indem angewinkelte Flächen aufgewiesen werden, wobei der kleine Durchmesser das Signal streut und es in Richtung eines längeren Interferenzweges beziehungsweise eines absorbierendes Weges ablenkt.
Echos treten auch aufgrund der Reflexion des akustischen Signals von den Enden 11 des Meßrohrs 5 zurück zu dem Wandler 8 beziehungsweise 9 auf. Dies läßt sich verhindern, indem das Meßrohr konstruiert wird, wie in den Fig. 3 beziehungsweise 4 dargestellt. Das Meßrohr 5 besteht aus einer Reihe von Strömungsdurchgängen 61, 62 beziehungsweise 71, 72. Die Meßrohrenden 11, 11' sind spitz zulaufend, um das Signal 12 von dem Wandler und von dem direkten Weg wegzureflektieren, so daß hiervon reflektierte Echos das Signal des direkten Wegs während der Dauer der Messung nicht beeinflussen.
Die Richtwirkung der Wandler kann so zugeschnitten werden, daß die Stärke des Signals, das das Meßrohr nicht durchläuft, minimiert wird.
Der Volumendurchfluß durch das Durchflußmeßgerät wird aus der gemessenen Geschwindigkeit hergeleitet. Wenn die Geschwindigkeit über die Strömung gleichmäßig wäre, ergäbe sich als Volumendurchfluß einfach:
Q = U A
Hierbei ist Q der Volumendurchfluß, U die gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und A die Querschnittsfläche des Strömungsbereichs.
Allerdings ist aufgrund der Viskositätseinwirkung die Geschwindigkeit nicht gleichmäßig, und in einem kreisförmigen Rohr nimmt sie eine sich vom Einlaß her entwickelnde parabolische Verteilung an. Dieses Geschwindigkeitsprofil wird aufgrund des Einsetzens von Turbulenzen bei größeren Durchflußmengen weiter verändert.
Unter diesen Umständen kann die gemessene Geschwindigkeit nicht einfach mit der Querschnittsfläche multipliziert werden, um zu einem Wert für den Volumendurchfluß zu kommen. Dies erfordert eine Korrektur. Bedauerlicherweise ist das im Rohr angenommene Geschwindigkeitsprofil eine Funktion vieler Variablen und weist ein nichtlineares Verhalten auf. Die Standardverfahren zur Mittelwertbildung versuchen zwar, diese Unzulänglichkeit auszugleichen, sind jedoch kostspielig und in der Praxis ungenau.
Das vorliegende Meßgerät macht sich die integrierenden Eigenschaften eine ebenen Schallwelle zunutze. Eine ebene Welle, die ein Rohr durchläuft, macht aufgrund der Strömung im Rohr eine Phasenverschiebung durch. Unter bestimmten Strömungs- und akustischen Bedingungen, ist diese Phasenverschiebung proportional zur Durchflußmenge allein, wie in "Theory of Transit Time Ultrasonic Flowmeters" ("Theorie der Laufzeit-Ultraschalldurchflußmeßgeräte") (J. Hemp, Cranfield Institute of Technology, 27. Juli 1981, S. 142-144) beschrieben.
Um zu gewährleisten, daß die Laufzeitdifferenz Δt lediglich von einer ebenen Schallwelle gemessen wird, ist es erforderlich, die Modi höherer Ordnung durch Zeitbereichtrennung und/oder durch einen Betrieb unterhalb der kritischen Frequenz des Meßrohrs zu beseitigen.
Beim vorliegenden Meßgerät ist das Meßrohr 5 so konstruiert, daß lediglich ebene Wellen bei der zur Messung der Strömung eingesetzten Frequenz durchgesendet werden. Jeder zusammengehörenden Gruppe aus Frequenz, Durchflußmenge, Rohrwandimpedanz und Rohrgeometrie entspricht hierbei eine kritische Frequenz, unterhalb derer die Schallfortpflanzung nur in ihrem ersten Modus beziehungsweise als ebene Welle erfolgt.
Bei Frequenzen oberhalb der kritischen Frequenz pflanzen sich Wellentypen höherer Ordnung fort, wobei die unterschiedlichen Modi mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten durchlaufen. Dieser Unterschied bei den Geschwindigkeiten läßt sich auch zur Isolierung der Sendung ebener Wellen einsetzen, indem eine Differenzierung im Zeitbereich zwischen den Fortpflanzungsarten vorgenommen wird.
Bei einem kreisförmigen Rohr ist der Parameter, der die kritische Frequenz maßgeblich bestimmt, der Rohrdurchmesser. Folglich kann die Aufgabenstellung im Sinne eines kritischen Durchmesserproblems betrachtet werden. Dieser wird hierbei definiert als der Durchmesser, unterhalb dessen sich der Schall bei der gegebenen Frequenz lediglich als eine ebene Schallwelle fortpflanzt.
Die Beziehung zwischen den kritischen Rohrabmessungen und der kritischen Frequenz ist annähernd linear und braucht nicht genau bekannt zu sein. Bezogen auf ein vollkommen starres kreisförmiges Rohr bedeutet diese Anforderung, sich eines Durchmessers zu bedienen, der kleiner ist als 0,586 λ. Hierbei bedeutet λ die Wellenlänge des sich im freien Raum fortpflanzenden Signals. Diese Anforderung kann etwas gelockert werden, wenn proportionale Dämpfung, Wandnachgiebigkeit und Oberflächenbeschaffenheit berücksichtigt werden. Alle diese Aspekte wirken darauf hin, die Fortpflanzung höherer Modi zu begrenzen beziehungsweise zu verhindern, wobei sie die Fortpflanzung lediglich ebener Wellen in einem Rohr oberhalb dieser berechneten kritischen Frequenz erreichen. Beispielsweise kann man ein Rohr konstruieren, das mit einem schallabsorbierenden Material ausgekleidet ist, welches die Reflexionen der Modi höherer Ordnung wirkungsvoll absorbiert und deren Fortpflanzung verhindert.
Das vorliegende Meßgerät weist ein Meßrohr 5 mit einem Gesamtdurchmesser auf, der viel größer ist als der kritische Durchmesser für die gewählte Betriebsfrequenz. Allerdings ist er in eine Reihe von parallelen, sich axial erstreckenden Durchgängen unterteilt, deren Einzeldurchmesser beträchtlich unter dem kritischen Durchmesser bei 40 kHz liegen. Fig. 5 stellt ein Vergleichsausführungsbeispiel dar, das kein Bestandteil der Erfindung ist, bei welchem das Meßrohr 5 von einer dichtgepackten Struktur ist und eine Reihe von Durchgängen 51, 52, 53 aufweist. Die Zwischenräume 33 zwischen den Durchgängen 51, 52, 53 sind blockiert.
Dies bietet den Vorteil, die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig zu halten, wobei der Strömungswiderstand verringert wird. Es vermindert auch das Strömungsgeräusch und verbessert die Genauigkeit des Verfahrens.
Im Gegensatz zu der dichtgepackten Struktur, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine Struktur, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, erfindungsgemäß. Die Zwischenräume 33 in Fig. 6 sind abgesperrt und enthalten kein Medium. Die in Fig. 6 dargestellte Struktur kann der dichtgepackten Struktur in Fig. 5 auf nachstehende Art und Weise gegenübergestellt werden. Die die Wandler verbindende zentrale Achsenlinie 32 ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt und verläuft senkrecht zu der Ebene des Blattes. Die Durchgänge 51, 52, 53 in Fig. 5 befinden sich jeweils in unterschiedlichen radialen Abständen von der Linie 32. Dies führt dazu, daß unterschiedliche Strömungs- und akustische Wege von jedem Durchgang aufgenommen werden. Im Gegensatz hierzu befinden sich die gesamten Durchgänge wie z. B. 61, 62 in Fig. 6 in gleichen radialen Abständen von der Linie 32. Die Strömungs- und akustischen Wege in diesen Durchgängen sind gleichwertig, und dies führt zu einer Verminderung von Fehlern.
Bei all diesen Ausführungsbeispielen ist das Verhältnis qn/Q für alle Betriebswerte von Q konstant, wobei qnn den Volumendurchfluß durch den Durchgang, durch den die Messung erfolgt angibt, und Q den gesamten Volumendurchfluß zwischen den Einlaß- und Auslaßkammern 6, 7 angibt. Eine Messung von q liefert dann einen Wert für Q.

Claims

1. Ein Mediendurchflußmeßgerät bestehend aus zwei in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern (8, 9); einer Sendeeinrichtung zur Sendung akustischer Signale in beide Richtungen durch das Medium mittels der Wandler; und einer Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung von Informationen über die Mediendurchflußmenge durch Überwachung der Laufzeitdifferenz der von den Wandlern empfangenen akustischen Signale, wobei ein Teil des Raumes zwischen den Wandlern einen Strömungsweg definiert, der aus einer Strömungsstruktur (5) besteht, die eine Vielzahl paralleler Medienströmungsdurchgänge (51, 52; 61, 62; 71, 72) aufweist, welche axial in Richtung der Strömung verlaufen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsdurchmesser der Durchgänge und die von der Sendeeinrichtung erzeugten akustischen Signale so gewählt werden, daß lediglich im wesentlichen ebene Schallwellen durch die Durchgänge mittels des Mediums übertragen werden; sowie dadurch, daß sämtliche Medienströmungsdurchgänge in der Medienströmungsstruktur in im wesentlichen gleichen radialen Abständen von einer entlang des Strömungsweges verlaufenden zentralen Achse in der Weise angeordnet sind, daß unter Betriebsbedingungen jeder Durchgang gleichwertige Anteile an akustischen Signalen aufnimmt.

2. Ein Mediendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, wobei das Medium tangential in eine Einlaßkammer (6) eingedüst wird, um innerhalb der Kammer eine rotierende Medienströmung zu erzeugen, die im wesentlichen keine Geschwindigkeitskomponente in der axialen Richtung der Strömungsdurchgänge aufweist.

3. Ein Mediendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Durchgänge im wesentlichen kreisförmige Querschnitte aufweisen, und wobei die Zwischenräume (33) zwischen den Durchgängen abgesperrt sind, um zu verhindern, daß das Medium dort entlang strömt.

4. Ein Mediendurchflußmeßgerät nach einem der vorstehenden Ansprü che, wobei die Strömungsstruktur jeweils entsprechend angewinkelte, ebene Flächen gegenüber den ankommenden akustischen Signalen aufweist.

5. Ein Mediendurchflußmeßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinrichtung aus zwei an den gegenüberliegenden Seiten der Strömungsstruktur positionierten Wandlern besteht, und sich hierbei Wandler und Strömungsstruktur in einer koaxialen Anordnung befinden.

6. Ein Gasdurchflußmeßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche.