EP1636554A1 - VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINES ULTRASCHALL-DURCHFLUSSMESSGERÄTS - Google Patents

VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINES ULTRASCHALL-DURCHFLUSSMESSGERÄTS

Info

Publication number
EP1636554A1
EP1636554A1 EP04740137A EP04740137A EP1636554A1 EP 1636554 A1 EP1636554 A1 EP 1636554A1 EP 04740137 A EP04740137 A EP 04740137A EP 04740137 A EP04740137 A EP 04740137A EP 1636554 A1 EP1636554 A1 EP 1636554A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
ultrasonic
medium
measuring tube
sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04740137A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Fröhlich
Achim Wiest
Andreas Berger
Torsten Strunz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1636554A1 publication Critical patent/EP1636554A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating an ultrasonic flow meter.
  • the ultrasonic flow meter has at least one measuring tube, at least two ultrasonic sensors and a control / evaluation unit, the ultrasonic sensors transmitting and / or receiving ultrasonic measuring signals, and the flow of a medium in the measuring tube based on the transit time difference of the ultrasonic measuring signals is determined which cross the measuring tube in the direction of flow and counter to the direction of flow.
  • ultrasonic flowmeters Due to manufacturing tolerances, flowmeters, especially ultrasonic flowmeters, must be calibrated prior to commissioning.
  • Known calibration methods for ultrasonic flowmeters are based on a so-called wet calibration, i.e.
  • wet calibration i.e.
  • a highly precisely defined quantity of a medium flows through the measuring device to be calibrated.
  • relatively large amounts of medium have to be provided for wet calibration.
  • the applicant owns a calibration system in Cernay in France, in which the medium required for calibration is stored in a 20 m high water tower.
  • the measuring tubes to be calibrated are positioned and the medium flows through them using a revolver. This system can be used to calibrate measuring tubes up to a diameter of 2000 mm.
  • Calibration system must be installed in the vicinity of the respective production site.
  • the recalibration of flowmeters already installed at the customer also poses great problems: These have to be removed, recalibrated in the calibration system and reinstalled.
  • the invention has for its object to propose a method for theoretical or dry calibration of flow meters.
  • the object is achieved by a method which comprises the following method steps: information on the theoretical flow of the medium through the measuring tube is obtained on the basis of the given geometric manufacturing data of the flow measuring device;
  • the actual geometric measurement data of the flow meter are determined three-dimensionally; - Information about the actual flow of the medium through the flow meter is obtained on the basis of the actual geometric measurement data;
  • a correction factor or a calibration factor M for the flow meter is determined.
  • the actual geometric measurement data are determined by three-dimensional scanning of the flow meter.
  • the flow meter is scanned by means of electromagnetic waves or by means of a mechanical scanning head.
  • Corresponding scanning devices are offered and sold by Faro Technologies, Inc.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention proposes that the flow measuring device or the measuring tube by a mathematical Model is reproduced.
  • the model determines the 'mean' inner cross section of the measuring tube with high precision.
  • a preferred development of the method according to the invention provides that the actual, average cross-sectional area of the measuring tube is determined by measuring the three-dimensional coordinates of a plurality of scanning points lying in at least two parallel and cross-sectional planes of the measuring tube lying transverse to the flow direction of the medium. It is also provided that the three-dimensional coordinates of the sound exit or sound entry surfaces of the ultrasonic sensors are determined.
  • an advantageous embodiment of the method according to the invention proposes that a set-up sensor be used instead of an ultrasonic sensor in order to determine the three-dimensional coordinates of the center points of the corresponding sound exit or sound entry surface is used.
  • the set-up sensor instead of the ultrasound transducer, which is, for example, a piezoelectric element, the set-up sensor has a specially designed unit that quasi simulates the ultrasound transducer. If the three-dimensional scanning takes place mechanically, the set-up sensor has a conical element with a defined shape. In particular, this conical element is designed such that the center point of a ball, which corresponds to the scanning head of the three-dimensional scanning device, lies in the center of the sound exit or sound entry surface of the corresponding ultrasonic sensor when the cone is touched.
  • the set-up sensor has a correspondingly designed reflector, e.g. a cat's eye or a cube corner with three vertical surfaces.
  • the coordinates of the position at which the radiation reflected by the reflector is at a maximum are stored as the actual measured value, which represents the exact position of the ultrasonic sensor.
  • the sound path and thus the transit time of the ultrasound measurement signals between two ultrasound sensors can be determined very precisely on the basis of the sound exit and sound entry angle and on the basis of the actual, mean inside diameter of the measuring tube determined by the three-dimensional scanning. In order to reduce the measurement error caused by the use of the model, it is advisable to take further disturbance variables into account.
  • the flow of the medium through a measuring tube is carried out by means of a time-of-flight measurement.
  • the transit times t up (0) and t down (0) are measured between the two ultrasonic sensors in the flow direction and counter to the flow direction.
  • the transit time that the ultrasonic measurement signals on the sound path S between two ultrasonic sensors require can be determined very precisely.
  • the speed of sound c medium of the medium can subsequently be determined using the formula given below.
  • F (v) represents a velocity-dependent term that depends on the ratio of the medium velocity to the speed of sound
  • the theoretical flow rate is calculated as follows - for example for sound path 1 - where L1 is the length of the sound path, K1 the profile correction factor of sound path 1, W1 the angle to the pipe axis, t1 up and t1 down the transit times of the ultrasonic measurement signals for the sound path 1 and A represent the cross-sectional area of the measuring tube:
  • the speed profile of the medium can be determined from the ratio of the individual speeds at different distances of the sound paths from the center of the pipe.
  • the flow rate can be measured using these measured values corrected again in the critical speed range between pure laminar flow and turbulent flow.
  • the measurement values obtained by the three-dimensional scanning are used in the mathematical model. These usually deviate from the specified production measurement data.
  • the determined correction factor M then describes the measure for the deviation or the individual calibration factor of the ultrasonic flow meter. This calibration factor is stored in the ultrasonic flow meter and is subsequently used to determine the flow.
  • Fig. 1 is a perspective view of an ultrasonic flow meter
  • FIG. 2 shows a cross section through the ultrasonic flow meter shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a longitudinal section according to the identification A-A in FIG. 2;
  • FIG. 4 a section according to the identification B-B in Fig. 3; and FIG. 5: a side view of the set-up sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an ultrasound flow meter 1 with two sound paths or two measuring channels.
  • the two pairs of ultrasonic sensors 3, 4; 5, 6 are preferably in positions of approx.
  • FIG. 2 shows a cross section through the ultrasonic flow meter 1 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section according to the identification AA in FIG. 2.
  • the middle inner cylinder of the measuring tube 2 determined in that the three-dimensional coordinates of measuring points in two planes 9, 10 are determined by the scanning device.
  • the numbers 1 to 8 with a circle indicate the three-dimensionally scanned measuring points which are used to determine the inside diameter Di in the two levels: level up 9 and level down 10. It goes without saying that the determination of the inner diameter Di in the two planes 9, 10 becomes more precise the more measuring points are recorded.
  • the levels 9, 10 are through the penetration points of the ultrasonic sensors 3, 4; 5, 6 defined.
  • the numbers 10, 11, 20, 21 provided with a circle are used to determine the sound path or track 1 or track 2.
  • these values are used to determine the radial distance H or F of the sound path of the ultrasound measurement signal from two ultrasound sensors 3 , 4; 5, 6 to the central axis 17 of the
  • Measuring tube 2 determined. If the distance H or F is known, then the angle of incidence or radiation W1, W2 of the ultrasonic sensors 3, 4; 5, 6 calculate.
  • the three-dimensional scanning also makes it possible to measure the sealing strip of the flanges 7, 8 with high precision.
  • FIG. 4 shows a section according to the identification BB in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows the installation of a set-up sensor 13, 15 in the corresponding sensor connector 11, 12.
  • Fig. 5 shows a side looks at the inventive setup sensor 13, 15.
  • the set-up sensor 13, 15 according to the invention is dimensioned analogously to an ultrasonic sensor 3, 4, 5, 6 that can be used in the flow measuring device 1 and can therefore be easily installed in the sensor nozzle 11, 12.
  • a conical element 14 is provided instead of the usually piezoelectric ultrasonic transducer.
  • the conical element 14 is dimensioned such that the center of a ball 16 with a defined diameter, which serves as a placeholder for the scanning head of the mechanical scanning device, when touching the conical element 14 in the center of the sound exit or sound entry surface of the corresponding ultrasonic sensor 3 , 4, 5, 6 lies. In this way, the position of the ultrasonic sensor 3, 4, 5, 6 can be determined with high accuracy.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trockenkalibrieren eines Ultraschall-Durchflußmeßgeräts (1), wobei anhand der vorgegebenen geometrischen Fertigungsdaten des Durchflußmeßgeräts (1) Information über den theoretischen Durchfluß des Mediums durch das Meßrohr (2) gewonnen wird, wobei die tatsächlichen geometrischen Meßdaten des Durchflußmeßgeräts (1) dreidimensional ermittelt werden, wobei anhand der tatsächlichen geometrischen Meßdaten Information über den tatsächlichen Durchfluß des Mediums durch das Durchflußmeßgerät (1) gewonnen wird, und wobei anhand der Information hinsichtlich des theoretischen Durchflusses und des tatsächlichen Durchflusses des Mediums durch das Durchflußmeßgerät (1) ein Korrekturfaktor bzw. ein Kalibrierfaktor für das Durchflußmeßgerät (1) ermittelt wird.

Description

Verfahren zum Kalibrieren eines Ultraschall-Durchflußmeßgeräts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Ultraschall- Durchflußmeßgeräts. Das Ultraschall-Durchflußmeßgerät weist zumindest ein Meßrohr, zumindest zwei Ultraschallsensoren und eine Regel-/Auswerte- einheit auf, wobei die Ultraschallsensoren Ultraschall-Meßsignale aussenden und/oder empfangen, und wobei der Durchfluß eines Mediums in dem Meßrohr anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Meßsignalen ermittelt wird, die das Meßrohr in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungs- richtung queren.
Aufgrund von Toleranzen bei der Fertigung müssen Durchflußmeßgeräte, insbesondere Ultraschall-Durchflußmeßgeräte vor der Inbetriebnahme kalibriert werden. Bekannte Kalibrieπterfahren für Ultraschall-Durchfluß- meßgeräte basieren auf einer sog. Naßkalibration, d.h. zwecks Bestimmung des Kalibrierfaktors des jeweiligen Durchflußmeßgeräts durchströmt eine hochgenau definierte Menge eines Mediums das zu kalibrierende Meßgerät. Je nach Durchmesser des Meßrohres des Durchflußmeßgeräts müssen zur Naßkalibration relativ große Mengen an Medium bereitgestellt werden. So besitzt die Anmelderin eine Kalibrieranlage in Cernay in Frankreich, bei der das Medium, das für die Kalibrierung benötigt wird, in einem 20 m hohen Wasserturm gespeichert ist. Über einen Revolver werden die zu kalibrierenden Meßrohre in Position gebracht und von dem Medium durchströmt. Kalibriert werden können mit dieser Anlage Meßrohre bis zu einem Durchmesser von 2000 mm.
Abgesehen von den hohen Kosten für den Aufbau einer derartigen Kalibrieranlage stellt sich ein weiteres Problem, wenn die Fertigung der Durchflußmeßgeräte an weit verstreuten Produktionsstätten erfolgt. Um lange Transportwege und damit lange Lieferzeiten zu vermeiden, muß eine
Kalibrieranlage in der Nähe der jeweiligen Fertigungsstätte installiert sein. Große Probleme bereitet auch die Nachkalibrierung von bereits beim Kunden installierten Durchflußmeßgeräten: Diese müssen ausgebaut, in der Kalibrieranlage nachkalibriert und wieder eingebaut werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur theoretischen bzw. zur Trockenkalibrierung von Durchflußmeßgeräten vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: - anhand der vorgegebenen geometrischen Fertigungsdaten des Durchflußmeßgeräts wird Information über den theoretischen Durchfluß des Mediums durch das Meßrohr gewonnen;
- die tatsächlichen geometrischen Meßdaten des Durchflußmeßgeräts werden dreidimensional ermittelt; - anhand der tatsächlichen geometrischen Meßdaten wird Information über den tatsächlichen Durchfluß des Mediums durch das Durchflußmeßgerät gewonnen;
- anhand der Information hinsichtlich des theoretischen Durchflusses und des tatsächlichen Durchflusses des Mediums durch das Durchflußmeß- gerät wird ein Korrekturfaktor bzw. ein Kalibrierfaktor M für das Durchflußmeßgerät ermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die tatsächlichen geometrischen Meßdaten durch eine dreidimen- sionale Abtastung des Durchflußmeßgeräts ermittelt werden. Beispielsweise erfolgt die Abtastung des Durchflußmeßgeräts mittels elektromagnetischer Wellen oder mittels eines mechanischen Abtastkopfes. Entsprechende Abtastgeräte werden von der Firma Faro Technologies, Inc. Angeboten und vertrieben.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß das Durchflußmeßgerät bzw. das Meßrohr durch ein mathematisches Modell nachgebildet wird. Inbesondere wird durch das Modell der 'mittlere' Innenquerschnitt des Meßrohres mit hoher Präzision ermittelt.
Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, werden in dem mathematischen Modell zusätzlich die nachfolgend genannten Größen ggf. in unterschiedlichen Kombinationen berücksichtigt:
a) der Einstrahl- bzw. der Ausstrahlwinkel W1 ; W2 zwischen Ultraschallsensor und dem Medium; b) der Abstand S1 ; S2 zwischen zwei Schallaustritts- bzw. zwei Schallein- tritts-Flächen der Ultraschallsensoren, die wechselweise senden und empfangen; c) der radiale Abstand H; F des Schallpfades der Ultraschall-Meßsignals von zwei Ultraschallsensoren zur Mittelachse des Meßrohres; d) die Position der Sende- und Empfangsflächen der Ultraschallsensoren zum strömenden Medium oder zur Innenwand des Meßrohres; e) die Querschnittsfläche A des zwischen den zwei Ultraschallsensoren liegenden und vom Medium durchströmten Abschnitts des Meßrohres.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die tatsächliche, mittlere Querschnittsfläche des Meßrohres dadurch ermittelt wird, daß die dreidimensionen Koordinaten von mehreren in zumindest zwei parallelen und quer zur Strömungsrichtung des Mediums liegenden Querschnittsebenen des Meßrohres liegenden Abtastpunkten ausgemessen werden. Weiterhin ist vorgesehen, daß die dreidimensionalen Koordinaten der Schallaustritts- bzw. Schalleintritts-Flächen der Ultraschallsensoren ermittelt werden.
Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Verfahrens vor, daß zwecks Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten der Mittelpunkte der entsprechenden Schallaustritts- bzw. Schalleintritts-Fläche anstelle eines Ultraschallsensors ein Einrichtsensor verwendet wird. Anstelle des Ultraschallwandlers, bei dem es sich z.B. um ein piezoelektrisches Element handelt, hat der Einrichtsensor eine besonders ausgestaltete Einheit, die den Ultraschallwandler quasi simuliert. Erfolgt die dreidimensionale Abtastung auf mechanischem Wege, so weist der Einrichtsensor ein kegelförmiges Element mit einer definierten Form auf. Insbesondere ist dieses kegelförmige Element so ausgebildet, daß der Mittelpunkt einer Kugel, die dem Abtastkopf des dreidimensionalen Abtastgeräts entspricht, beim Berühren des Kegels im Mittelpunkt der Schallaustritts- bzw. der Schalleintritts-Fläche des entsprechenden Ultraschallsensors liegt.
Erfolgt die dreidimensionale Abtastung auf elektromagnetischem, insbesondere optischem Weg, so weist der Einrichtsensor einen entsprechend ausgestalteten Reflektor, z.B. ein Katzenauge oder eine Würfelecke mit drei senkrechten Flächen auf. Als tatsächlicher Meßwert, der die exakte Position des Ultraschallsensors repräsentiert, werden die Koordinaten der Position gespeichert, an der die von dem Reflektor reflektierte Strahlung maximal ist.
Anhand des Schallaustritts- und Schalleintrittswinkels sowie anhand des durch die dreidimensionale Abtastung ermittelten tatsächlichen, mittleren Innen-durchmessers des Meßrohres läßt sich der Schallpfad und damit die Laufzeit der Ultraschall-Meßsignale zwischen zwei Ultraschallsensoren sehr genau ermitteln. Um den Meßfehler, der durch die Anwendung des Modells entsteht noch zu reduzieren, empfiehlt es sich, weitere Störgrößen zu berücksichtigen.
Bei Ultraschall-Durchflußmeßgeräten wird der Durchfluß des Mediums durch ein Meßrohr mittels einer Time-of-Flight-Messung durchgeführt. Hierzu werden zwischen den beiden Ultraschallsensoren die Laufzeiten tup(0) und tdown(0) in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung gemessen.
Diese Zeiten sind jedoch noch mit zusätzlichen Verzögerungszeiten tv behaftet, welche durch die Ultraschallsensoren, die Kabel und die Elektronik verursacht werden. Von den anhand der dreidimensionalen Abtastung ermittelten Laufzeiten müssen diese Verzögerungszeiten subtrahiert werden. Damit erhält man für die Laufzeit im Medium folgende Werte:
''down = *down _ t_pQ = t_P(P) -t-
Durch die dreidimensionale Abtastung der Schallaustritts- und Schalleintrittsflächen und unter Kenntnis der Verzögerungszeit läßt sich die Laufzeit, die die Ultraschall-Meßsignale auf dem Schallpfad S zwischen zwei Ultraschallsensoren benötigen, sehr genau bestimmen. Anhand eines Vergleichs der theoretischen Laufzeit und der tatsächlich gemessenen Laufzeit, läßt sich nachfolgend die Schallgeschwindigkeit cMedium des Mediums gemäß der nachfolgend genannten Formel ermitteln. In dieser Formel repräsentiert F(v) einen geschwindigkeitsabhängigen Term, der vom Verhältnis der Mediumsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit abhängt
F (v)
F(v) ist für v = 0 gleich 1 bzw. für v « cMedium ist F(v) näherungsweise gleich 1.
Weiterhin wird in dem Modell der Abstand R/2 zwischen der Schallaustrittsbzw. Schalleintrittsfläche eines Ultraschallsensors und der Innenfläche des Meßrohres berücksichtigt. Es wird angenommen, daß in diesen beiden Bereichen eines jeden Schallpfades die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zumindest näherungsweise gleich Null ist. Die korrigierten Zeiten tup und tdown ergeben sich anhand der nachfolgend genannten Formel:
R «p =α "P i)-- Medium Das Strömungsprofil, das die radiale Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einem Meßrohr wiedergibt, sieht sehr unterschiedlich aus, je nachdem ob es sich um eine laminare oder um eine turbulente Strömung handelt. Ist der radiale Abstand eines Paares von Ultraschallsensoren durch die dreidimensionale Abtastung genau bekannt, so läßt sich mit Kenntnis der Reynoldszahl ein Profil-Korrekturfaktor K errechnen, mit dem die gemessene Geschwindigkeit v im Verhältnis zur mittleren Geschwindigkeit vM des Medium steht.
VM K
Der theoretische Durchfluß errechnet sich wie folgt - beispielsweise für den Schallweg 1 - wobei L1 die Länge des Schallpfades, K1 den Profilkorrektur- faktor des Schallpfads 1 , W1 den Winkel zur Rohrachse, t1 up und t1 down die Laufzeiten des Ultraschall-Meßsignale für den Schallpfad 1 und A die Querschnittsfläche des Meßrohres repräsentiert:
Die Messung wird noch genauer, wenn mehrere Schallpfade in unterschiedlichen Abständen von der Mittelachse des Meßrohres vorhanden sind. Je nach Abstand der Ultraschallsensoren zur Mittelachse des Meßrohres werden die Laufzeiten mit W| entsprechend der nachfolgend genannten Formel gewichtet:
Über das Verhältnis der einzelnen Geschwindigkeiten bei verschiedenen Abständen der Schallwege von der Rohrmitte läßt sich das Geschwindigkeits- profil des Mediums ermitteln. Mithilfe dieser Meßwerte kann der Durchfluß nochmals in dem kritischen Geschwindigkeitsbereich zwischen reiner laminarer Strömung und turbulenter Strömung besser erfaßt auch korrigiert werden. In dem mathematischen Modell werden die durch die dreidimensionale Abtastung gewonnenen Meßwerte verwendet. Diese weichen üblicherweise von den vorgegebenen Fertigungs-Meßdaten ab. Der ermittelte Korrekturfaktor M beschreibt dann das Maß für die Abweichung bzw. den individuellen Kalibrierfaktor des Ultraschall-Durchflußmeßgeräts. Dieser Kalibrierfaktor wird in dem Ultraschall-Durchflußmeßgerät gespeichert und geht nachfolgend in die Bestimmung des Durchflusses ein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht eines Ultraschall- Durchflußmeßgeräts;
Fig. 2: einen Querschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Ultraschall-Durchfluß-meßgerät;
Fig. 3: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 2;
Fig. 4: einen Schnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 3; und Fig. 5: eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Einrichtsensors.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ultraschall-Durchflußmeßgeräts 1 mit zwei Schallpfaden bzw. zwei Meßkanälen. Die beiden Paare von Ultraschallsensoren 3, 4; 5, 6 sind vorzugsweise auf Positionen von ca.
50% des Radius des Meßrohres 2 angeordnet. Bei einer Zweistrahlanordnung von Ultraschallsensoren 3, 4; 5, 6 ist diese Positionierung von Vorteil, da hier eine relativ große Unabhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von der Reynoldszahl bzw. von der Viskosität des Mediums vorliegt.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Ultraschall-Durchfluß- meßgerät 1. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 2. Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, wird der mittlere Innenzylinder des Meßrohres 2 dadurch ermittelt, daß die dreidimensionalen Koordinaten von Meßpunkte in zwei Ebenen 9, 10 durch das Abtastgerät ermittelt werden. Die mit einem Kreis versehenen Zahlen 1 bis 8 kenn- zeichnen die dreidimensional abgetasteten Meßpunkte, die zur Ermittlung des Innendurchmessers Di in den beiden Ebenen: Ebene up 9 und Ebene down 10 herangezogen werden. Es versteht sich von selbst, daß die Bestimmung des Innendurchmessers Di in den beiden Ebenen 9, 10 um so genauer wird, je mehr Meßpunkte aufgenommen werden. Im gezeigten Fall sind die Ebenen 9, 10 durch die Durchstoßpunkte der Ultraschallsensoren 3, 4; 5, 6 definiert.
Die mit Kreis versehenen Zahlen 10, 11 , 20, 21 dienen zur Ermittlung des Schallpfades bzw. der Spur 1 bzw. der Spur 2. Insbesondere wird anhand dieser Werte der radiale Abstand H bzw. F des Schallpfades der Ultraschall- Meßsignals von zwei Ultraschallsensoren 3, 4; 5, 6 zur Mittelachse 17 des
Meßrohres 2 ermittelt. Ist der Abstand H bzw. F bekannt, so läßt sich auch der Einstrahl- bzw. Abstrahlwinkel W1 , W2 der Ultraschallsensoren 3, 4; 5, 6 berechnen.
Durch die dreidimensionale Abtastung ist es darüber hinaus möglich, auch die Dichtleiste der Flansche 7, 8 hochgenau zu vermessen. Zur Bestimmung der Dichtleiste der Flansche 7, 8 dienen die in Fig. 3 eingezeichneten Meßpunkte, die durch die Zahlen 30 ... 33 und 40 ... 43 im Kreis gekennzeichnet sind.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 3. Inbesondere ist in Fig. 4 die Montage eines Einrichtsensors 13, 15 in dem entsprechenden Sensorstutzen 11 , 12 dargestellt. Fig. 5 zeigt eine Seiten- ansieht des erfindungsgemäßen Einrichtsensors 13, 15. Teilweise ist der in Fig. 5 gezeigte Einrichtsensor 13; 15 im Schnitt dargestellt. Der erfindungsgemäße Einrichtsensor 13, 15 ist analog zu einem in dem Durchflußmeßgerät 1 verwendbaren Ultraschallsensor 3, 4, 5, 6 dimensioniert und kann daher problemlos in dem Sensorstutzen 11 , 12 montiert werden. Bei dem Einrichtsensor 13, 15, der für die Positionsbestimmung mittels eines mechanisch arbeitenden Abtastgeräts ausgelegt ist, ist anstelle des üblicherweise piezoelektrischen Ultraschallwandlers ein kegelförmiges Element 14 vorgesehen. Das kegelförmige Element 14 ist so dimensioniert, daß der Mittelpunkt einer Kugel 16 mit definiertem Durchmesser, die als Platzhalter für den Abtastkopf des mechanischen Abtastgeräts dient, beim Berühren des kegelförmigen Elements 14 im Mittelpunkt der Schallaustritts- bzw. der Schalleintritts-Fläche des entsprechenden Ultraschallsensors 3, 4, 5, 6 liegt. Hierdurch läßt sich die Position des Ultraschallsensors 3, 4, 5, 6 mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Einrichtsensors 13; 15 läßt sich eine Trockenkalibrierung des Durchflußmeßgeräts 1 schnell und einfach durchführen. Insbesondere wird es möglich, die Kalibrierung oder Nachkalibrierung vor Ort beim Kunden vorzunehmen.
Bezugszeichenliste
Ultraschall-Durchflußmeßgerät
Meßrohr
Ultraschallsensor
Ultraschallsensor
Ultraschallsensor
Ultraschallsensor
Flansch
Flansch
Ebene up
Ebene down
Sensorstutzen
Sensorstutzen
Einrichtsensor
Kegel
Einrichtsensor
Kugel
Mittelachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kalibrieren eines Ultraschall-Durchflußmeßgeräts (1 ), welches ein Meßrohr (2), zumindest zwei Uitraschallsensoren (3, 4; 5, 6) und eine Regel-/Auswerteeinheit (17) aufweist, wobei die Uitraschallsensoren (3,4; 5, 6) Ultraschall-Meßsignale aussenden und/oder empfangen, wobei der Durchfluß eines Mediums in dem Meßrohr (2) anhand der Laufzeiten der Ultraschall-Meßsignalen ermittelt wird, die das Meßrohr (2) in Strömungsrichtung (S) und entgegen der Strömungsrichtung (S) queren, wobei anhand der vorgegebenen geometrischen Fertigungsdaten des
Durchflußmeßgeräts (1) Information über den theoretischen Durchfluß des Mediums durch das Meßrohr (2) gewonnen wird, wobei die tatsächlichen geometrischen Meßdaten des Durchflußmeßgeräts (1 ) dreidimensional ermittelt werden, wobei anhand der tatsächlichen geometrischen Meßdaten Information über den tatsächlichen Durchfluß des Mediums durch das Durchflußmeßgerät (1 ) gewonnen wird, und wobei anhand der Information hinsichtlich des theoretischen Durchflusses und des tatsächlichen Durchflusses des Mediums durch das Durchflußmeßgerät (1 ) ein Korrekturfaktor bzw. ein Kalibrierfaktor für das Durchflu ßmeßgerät (1 ) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die tatsächlichen geometrischen Meßdaten durch eine dreidimensionale Abtastung des Durchflußmeßgerats (1 ) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abtastung des Durchflußmeßgeräts (1) mittels elektromagnetischer Wellen oder mittels eines mechanischen Abtastkopfes (16) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, daß das Durchflußmeßgerät (1 ) bzw. das Meßrohr (2) durch ein mathematisches Modell nachgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem mathematischen Modell die nachfolgend genannten Größen berücksichtigt werden:
- der Einstrahl- bzw. der Ausstrahlwinkel (W1 ; W2) zwischen Ultraschallsensor (3, 4; 5, 6) und dem Medium;
- der Abstand S1 ; S2 zwischen zwei Schallaustritts- bzw. zwei Schallein- tritts-Flächen der Uitraschallsensoren (3, 4; 5, 6), die wechselweise senden und empfangen;
- der radiale Abstand H des Laufweges des Schallpfades der Ultraschall- Meßsignals von zwei Ultraschallwandern (3, 4; 5, 6) zur Mittelachse des Meßrohres (2); - die Position der Sende- und Empfangsflächen der Uitraschallsensoren (3, 4; 5, 6) zum strömenden Medium oder zur Innenwand des Meßrohres (2);
- die Querschnittsfläche A des zwischen den zwei Ultraschallwandelm (3, 4; 5, 6) liegenden und vom Medium durchströmten Abschnitts des Meßrohres (2).
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die tatsächliche innere Querschnittsfläche des Meßrohres (2) dadurch ermittelt wird, daß die dreidimensioneln Koordinaten von mehreren in zumindest zwei parallelen und quer zur Strömungsrichtung (S) des Mediums liegenden Querschnittsebenen (9, 10) des Meßrohres liegenden Abtastpunkten ausgemessen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 oder 5, wobei die dreidimensionalen Koordinaten der Schallaustritts- bzw. Schalleintritts-Flächen der Uitraschallsensoren (3, 4; 5, 6) ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwecks Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten der Mittelpunkte der entsprechenden Schallaustritts- bzw. Schalleintritts-Fläche von einem Ultraschallsensor (3, 4; 5, 6) ein Einrichtsensor (13, 15) verwendet wird, bei dem anstelle eines Ultraschallwandlers ein Kegel (14) mit definierter Form verwendet wird, der so ausgebildet ist, daß der Mittelpunkt einer Kugel (16) mit definiertem Durchmesser beim Berühren des Kegels (14) im Mittelpunkt der Schallaustritts- bzw. der Schalleintritts-Fläche des entsprechenden Ultraschallsensors (3, 4; 5, 6) liegt.
9. Einrichtsensor (13, 15) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei anstelle des Ultraschallwandlers ein kegelförmiges Element (14) verwendet wird, das so dimensioniert ist, daß der Mittelpunkt einer Kugel (16), deren Durchmesser dem Durchmesser eines Abtastkopfs eines mechanischen Abtastgeräts entspricht, im Kontakt mit dem kegelförmigen
Element (14) im Mittelpunkt der Schallaustritts- bzw. der Schalleintritts-Fläche des Ultraschallsensors (3, 4; 5, 6) liegt.
10. Einrichtsensor (13, 15) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei anstelle des Ultraschallwandlers ein Retroreflektorelement vorgesehen ist, daß so ausgestaltet ist, daß auftreffende elektromagnetische Strahlung des entsprechend ausgestalteten Abtastgeräts in das Abtastgerät zurückreflektiert wird.
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