EP1807680A1 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des volumen- und/ oder massendurchflusses eines mediums - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des volumen- und/ oder massendurchflusses eines mediums

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Publication number
EP1807680A1
EP1807680A1 EP05808181A EP05808181A EP1807680A1 EP 1807680 A1 EP1807680 A1 EP 1807680A1 EP 05808181 A EP05808181 A EP 05808181A EP 05808181 A EP05808181 A EP 05808181A EP 1807680 A1 EP1807680 A1 EP 1807680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring tube
reflector
pipe
tubular
measuring
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Withdrawn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
EP05808181A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Wiest
Andreas Berger
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 EP1807680A1 publication Critical patent/EP1807680A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • 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 device for determining and / or
  • the measuring medium can be either a gaseous or a liquid measuring medium.
  • the flowmeter is either a clamp-on flowmeter or an in-line flowmeter that is installed in the piping.
  • Ultrasonic flowmeters of the type described above which determine the volume flow by means of the so-called transit time difference method, are widely used in process and automation technology.
  • clamp-on flowmeters have the advantage that they allow the volume flow in a container, e.g. in a pipeline, contactless and without contact with the medium to determine.
  • Clamp-on flowmeters are described, for example, in EP 0 686 255 Bl, US Pat. No. 4,484,478, DE 43 35 369 C1, DE 298 03 911 U1, DE 4336370 C1 or US Pat. No. 4,598,593.
  • the ultrasonic measurement signals are at a predetermined angle in the container in which the medium is irradiated or emitted from the container.
  • the position of the ultrasonic transducers on the measuring tube (inline) or on the piping (clamp-on) depends on the inner diameter of the measuring tube and the speed of sound of the measuring medium.
  • An essential component of an ultrasonic transducer is usually a piezoelectric element.
  • the ultrasonic measuring signals generated or received by the piezoelectric element are transmitted via a coupling wedge or a flow body and, in the case of a clamp-on flow measuring device, via the pipe wall led into the interior of the pipe or the measuring tube.
  • the two ultrasonic transducers are arranged so that the traversed sound paths are passed through the central region of the pipe or the measuring tube.
  • the determined flow measurement thus reflects the average flow of the medium in the pipeline or in the measuring tube.
  • this averaging is too inaccurate. Therefore, it has also become known in in-line flowmeters to provide a plurality of sensor pairs distributed over the circumference of the measuring tube to the measuring tube, whereby the flow information from different seg ⁇ ment convinced angular ranges of the measuring tube can be provided. It goes without saying that this solution is of course relatively expensive due to the large number of sensor pairs.
  • the invention has for its object to provide an ultrasonic flow meter, which provides a segmented, dependent on the inner diameter of the pipe or the measuring tube flow rate available.
  • the object is achieved in that at least one reflector element in
  • the reflector element has a defined distance from the inner wall of the pipe and that the reflector element is arranged in a running through the pipe sound path of the ultrasonic measurement signals.
  • the reflector element is designed and / or arranged such that it interrupts the sound path at points of interest for metrological purposes and deflects the ultrasonic measuring signals.
  • the ultrasonic measurement signal carries only information from the traversed spatial area of the measuring tube or the pipeline.
  • the solution according to the invention already comes with a pair of sensors to provide information about the flow profile of the measuring medium in the measuring tube. For the first time, it is also possible with the solution according to the invention to realize a multi-path clamp-on flowmeter.
  • the reflector element or the reflector elements can be designed completely arbitrary.
  • the at least one reflector element is a tubular element.
  • the tubular element or the tubular elements are arranged concentrically in the pipeline.
  • the tubular element or the tubular elements is fixed by webs on the inner wall of the pipe or the inner wall of the measuring tube is / are.
  • This embodiment makes it possible to exclude certain edge areas from the measurement of the flow.
  • the web acts as a sound conductor in this embodiment. Again, the sound conductor is broken at metrologically interesting points. This makes it possible, for example, a flow measurement only in the central or core region of the pipe or the measuring tube.
  • the reflector element or the reflector elements are disk-shaped. Again, the reflector element or the reflector elements are fixed via one or more webs on the inner wall of the pipe or the measuring tube. In this case, reflector element and web / webs are configured substantially T-shaped.
  • An advantageous development of the device according to the invention provides, in turn, for the ultrasound transducers and the webs to be arranged relative to one another such that the ultrasound measuring signals can be coupled in via the webs into the inner region of the tubular element or out of the inner region of the tubular element , With this configuration, the flow can be determined in a desired segment, since in each case the area in which the webs are located, is hidden from the flow measurement.
  • the tubular element may also have an n-shaped cross-section, where n is a natural number with n> 3.
  • the tubular n-cornered element is aus ⁇ designed so that its outer diameter substantially corresponds to the inner diameter of the pipe and that the tubular element in the region of the corners with the Pipeline is connected.
  • the device is in the reflector element or the reflector elements to one or more disc-shaped platelets, which are designed and / or arranged so that they represent a negligible for the flowing medium flow resistance.
  • a plurality of plates in the form of spatially offset stages of a conductor are arranged.
  • an advantageous embodiment of the device according to the invention provides a control unit, via which the disk-shaped reflector plate or the disk-shaped reflector plate can be moved into the sound path and moved out of the sound path.
  • the platelets are arranged either spirally, or they correspond to the rungs of an offset conductor structure.
  • the ultrasonic measuring signals are transmitted and received at an opening angle matched to the respective application, a sensor pair is usually sufficient to provide the flow information from different segments of the pipe or of the measuring pipe in accordance with the invention.
  • the ultrasonic transducers have a plurality of piezoelectric elements as transmitting and / or receiving elements, the transmitting and / or receiving elements being arranged in an array.
  • the transmission and / or reception elements By suitable control of the transmission and / or reception elements, it is possible to realize different emission or reception angles and thus sound paths with different angular orientation.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the device according to the invention with three ultrasonic sensors and a coupling / decoupling via webs, [0020] FIG.
  • FIG. 1 a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 1;
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a second embodiment of the device according to the invention with two ultrasonic sensors and a coupling / uncoupling via webs
  • FIG. 2a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 2, FIG.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a third embodiment of the device according to the invention with two ultrasonic sensors and a tubular reflector with a round cross-section
  • FIG. 3 a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 3, FIG.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a fourth embodiment of the device according to the invention with three ultrasonic sensors and a tubular reflector with a round cross-section, [0026] FIG.
  • FIG. 4a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 4, FIG.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a fifth embodiment of the inventive device with three ultrasonic sensors and a tubular reflector with triangular cross-section
  • FIG. 5a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 5, FIG.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a sixth embodiment of the device according to the invention with two ultrasonic sensors and a coupling in / out via webs of a T-shaped reflector
  • FIG. 6a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 6;
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a seventh embodiment of the device according to the invention with four ultrasonic sensors and a coupling in / out via webs of a T-shaped reflector, [0032] FIG.
  • FIG. 7a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 7;
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through an eighth embodiment of the device according to the invention with a stationary and a displaceable ultrasound sensor and with reflector plates, [0034] FIG.
  • FIG. 8a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 8;
  • FIG. 9 shows a longitudinal section through a ninth embodiment of the device according to the invention with two ultrasonic sensors and with reflector plates which can be positioned in the sound path
  • FIG. 9 a shows a cross section of the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 9.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the invention according to the device 1 with three ultrasonic sensors 14a, 14b, 14c.
  • the control of the ultrasonic transducers 14a, 14b, 14c and the evaluation of the ultrasonic measurement signals via the transit time method takes place in the control / evaluation unit 4.
  • the tubular reflector element 5 with a round cross section is arranged concentrically within the pipeline / measuring tube 3.
  • the tubular reflector element 5 has four webs 8 on its outer wall 7. About the webs 8, the tubular reflector element 5 is fixed to the inner wall 6 of the pipe / the measuring tube 3.
  • the ultrasonic sensors 14a, 14b are arranged so that a part of the ultrasonic measurement signals via the webs 8a, 8c is switched on or coupled.
  • the sound path S1 extends between the two ultrasonic transducers 14a, 14b arranged on a line to the longitudinal axis of the pipeline / measuring tube 3; the sound path S2 extends between the two mutually opposite ultrasonic transducers 14a, 14c.
  • FIGS. 2 and 2a show different sections of a second embodiment of the device 1 according to the invention.
  • This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that only two ultrasonic sensors 14a, 14b be used.
  • the coupling in / out of the ultrasonic measurement signals takes place via webs 8, however, these webs 8 are due to the interrupted sound conduction are better readable measuring signals available. Again, the measurement is limited to the determination of the flow of the measuring medium 2 in the central region 16 of the pipe / the measuring tube.
  • edge regions 17 defined in the embodiments illustrated in the FIGS. 1, 2 a, 2 a, 2 a, 2 b are not used in the determination of the flow rate. This is achieved by coupling and uncoupling the ultrasonic measuring signals via the webs 8 -, the solution shown in FIGS. 3 and 3a being limited to a determination of the flow in the edge region 17 In this solution, the ultrasound measurement signals emitted by an ultrasound transducer 14a, 1b are respectively reflected by the tubular reflector element 5 and received by the respective other ultrasound transducer 14b, 14a.
  • the solution shown in FIGS. 4, 4a also has an additional, opposite ultrasonic transducer 14c.
  • this solution it is possible to independently determine the flow of the measuring medium 2 in the pipeline / in the measuring tube 3, both for the edge region 17 and for the central region 16.
  • the embodiment of the device 1 according to the invention shown in FIGS. 5 and 5 differs from the previously described embodiment (FIGS. 4, 4) by the shape of the reflector element 9: the reflector Gate element 9 has a triangular cross-section. The reflector element 9 is dimensioned such that it is fixed to the corner areas on the inner wall 6 of the pipeline / measuring tube 3.
  • Figures 6, 6a, 7, 7a show different embodiments of the device 1 according to the invention, wherein it is the same for both that the Reflekto ⁇ rimplantation 10 are designed here T-shaped. The differences lie in the number and arrangement of the ultrasonic transducers 14.
  • a plurality of reflector plates 11 are arranged in a ladder-shaped structure.
  • the individual reflector plates 11 form the spatially offset rungs of the conductors 12.
  • an alternative sees a corresponding one Displacement of at least one ultrasonic transducer 14a, 14b along the connecting line of the two ultrasonic transducers 14a, 14b before.
  • a plurality of ultrasonic transducers 14 may also be provided at the marked positions.
  • the ultrasonic transducers 14 may have a plurality of piezoelectric elements as transmitting and / or receiving elements, wherein the transmitting and / or receiving elements are arranged in an array.
  • the Control / evaluation unit 4 By suitable control of the transmitting and / or receiving elements by the Control / evaluation unit 4, it is possible to realize different emission or Emp ⁇ catch angle and thus sound paths with different angular orientations.
  • FIGS. 9 and 9a A final embodiment of the device 1 according to the invention is shown in FIGS. 9 and 9a.
  • the reflector plates 11 are here so spaced and strung in a helix 13, that in each case a reflector plate 11 is rotated by turning the helix 13 about its longitudinal axis in the sound path of the ultrasonic transducer 14a, 14b.
  • the rotation of the helix can take place either stepwise or continuously.
  • FIG. 5 tubular reflector element with round cross section
  • FIG. 7 outer wall of the tubular reflector element
  • FIG. 9 tubular reflector element with triangular cross-section

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder Massendurchflusses eines Mediums, das eine Rohrleitung /ein Messrohr (3) mit einem Innendurchmesser (D) in einer Strömungsrichtung (S) durchfließt, mit zumindest zwei Ultraschallwandlern (14), die die Ultraschall- Messsignale entlang definierter Schallpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (4), die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums (2) in der Rohrleitung / in dem Messrohr (3) anhand der Ultraschall-Messsignale nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip ermittelt. Um ein mehrkanaliges Ultraschall-Durchflussmessgerät bereitzustellen, ist zumindest ein Reflektorelement (5, 9, 10, 11, 12, 13) im Innenraum (15) der Rohrleitung / des Messrohres (3) vorgesehen ist; das Reflektorelement (5, 9, 10, 11, 12, 13) weist einen definierten Abstand (d) von der Innenwand (6) der Rohrleitung / des Messrohres (3) auf und ist in einem durch die Rohrleitung / das Messrohr (3) verlaufenden Schallpfad der Ultraschall-Messsignale angeordnet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder Massendurchflusses eines Mediums
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder
Überwachung des Volumen- und/ oder Massendurchflusses eines Mess-mediums, das eine Rohrleitung mit einem vorgegebenen Innendurchmesser in einer vorgegebenen Strömungsrichtung durchfließt, mit zumindest zwei Ultraschallwandlern, die die Ul¬ traschall-Messsignale entlang definierter Schallpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/ Auswerteeinheit, die den Volumen- und/oder den Masse- durchfluss des Messmediums in dem Behältnis anhand der Ultraschall-Messsignale nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip ermittelt. Bei dem Messmedium kann es sich übrigens sowohl um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Messmedium handeln. Bei dem Durchflussmessgerät handelt es sich entweder um ein Clamp- On-Durchflussmessgerät oder um ein Inline-Durchflussmessgerät, das in die Rohrleitung eingebaut ist.
[0002] Ultraschall-Durchflussmessgeräte der zuvor beschriebenen Art, die den Volumen¬ durchfluß mittels der sog. Laufzeitdifferenz-Methode ermitteln, werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Insbesondere Clamp-On Durchfluss- messgeräte haben den Vorteil, dass sie es ermöglichen, den Volumendurchfluss in einem Behältnis, z.B. in einer Rohrleitung, berührungslos und ohne Kontakt mit dem Medium zu bestimmen. Clamp-On Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 Bl, der US-PS 4,484,478, DE 43 35 369 Cl, DE 298 03 911 Ul, DE 4336370 Cl oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
[0003] Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall- Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in das Behältnis, in dem sich das Medium befindet, eingestrahlt bzw. aus dem Behältnis ausgestrahlt. Bei Ultraschall- Durchflussmessgeräten ist die jeweilige Position der Ultraschallwandler am Messrohr (Inline) bzw. an der Rohrleitung (Clamp-On) abhängig von dem Innendurchmesser des Messrohres und von der Schallgeschwindigkeit des Messmediums.
[0004] Bei einem Clamp-On Durchflussmessgerät müssen zusätzlich die Applikations¬ parameter: Wandstärke der Rohrleitung und Schallgeschwindig-keit des Materials der Rohrleitung berücksichtigt werden.
[0005] Wesentliche Komponente eines Ultraschallwandlers ist üblicherweise ein piezo¬ elektrisches Element. Die von dem piezoelektrischen Element erzeugten bzw. empfangenen Ultraschall-Messsignale werden über einen Koppelkeil bzw. einen Vor¬ laufkörper und - im Falle eines Clamp-On Durchflussmess-geräts - über die Rohrwand in das Innere der Rohrleitung bzw. des Messrohres hineingeführt.
[0006] Üblicherweise sind bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten die beiden Ultraschallwandler so angeordnet, dass die durchlaufenen Schallpfade durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt sind. Der ermittelte Durchflussmesswert spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Messmediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr wieder. Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Durchflussmessungen in Rohrleitungen mit großen Nennweiten, ist diese Mittelung jedoch zu ungenau. Deshalb ist es bei Inline-Durchflussmessgeräten auch bekannt geworden, mehrere Sensorpaare über den Umfang des Messrohres verteilt an dem Messrohr vorzusehen, wodurch die Durchflussinformation aus verschiedenen seg¬ mentierten Winkelbereichen des Messrohres zur Verfügung gestellt werden kann. Es versteht sich von selbst, dass diese Lösung aufgrund der Vielzahl der Sensorpaare natürlich relativ teuer ist.
[0007] Entsprechende mehrpfadige bzw. mehrkanalige Anordnungen zur segmentierten
Durchflusserfassung bei Clamp-On Durchflussmessgeräten sind bislang nicht bekannt geworden. Vielmehr gehen bei Clamp-On Durchflussmessgeräten die Schallpfade immer durch den Zentralbereich der Rohrleitung, wodurch der Durchfluss integral über alle Bereiche der Rohrleitung bereitgestellt wird. Um jedoch das Strömungsprofil genau zu erfassen, ist es notwendig, die Schallpfade durch vorgegebene Segmente der Rohrleitung bzw. des Messrohres zu führen. Liegt ein aggressives Messmedium vor oder gibt es keine Möglichkeit, ein Inline-Durchflussmess-gerät einzusetzen, so muss auf andere Meßprinzipien zurückgegriffen werden, da bekannte Clamp-On Durchfluss- messgeräte eine relativ geringe Messgenauigkeit aufweisen.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Durchflussmess-gerät vorzuschlagen, das eine segmentierte, vom Innendurchmesser der Rohrleitung bzw. des Meßrohres abhängige Durchflussrate zur Verfügung stellt.
[0009] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Reflektorelement im
Innenraum der Rohrleitung vorgesehen ist, dass das Reflektorelement einen definierten Abstand von der Innenwand der Rohrleitung aufweist und dass das Reflektorelement in einem durch die Rohrleitung verlaufenden Schallpfad der Ultraschall-Messsignale angeordnet ist. Das Reflektorelement ist derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass es an messtechnisch interessanten Stellen den Schallpfad unterbricht und die Ul¬ traschall-Messsignale umlenkt. Somit trägt das Ultraschall-Messsignal lediglich In¬ formation aus dem durchlaufenen Raumbereich des Meßrohres bzw. der Rohrleitung.
[0010] Bei den Inline-Durchflussmessgeräten wird mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine völlig neue Richtung bei der segmentierten Erfassung des Strömungsprofils des Messmediums in dem Messrohr vorgeschlagen. Waren bislang die Schallpfade in un¬ terschiedlichen Segmenten des Messrohres, z.B. im Zentralbereich und in unter- schiedlichen Randbereichen, dadurch definiert, dass mehrere Sensorpaare unter unter¬ schiedlichen Winkelpositionen über den Umfang des Messrohres angeordnet waren, so werden erfindungsgemäß die Schallpfade durch eine geeignete und auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte Anordnung von Reflektorelementen in dem Messrohr realisiert. Im Prinzip kommt die erfindungsgemäße Lösung bereits mit einem Sensor¬ paar aus, um Information über das Strömungsprofil des Messmediums in dem Messrohr bereitzustellen. Erstmals ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung auch möglich, ein mehrpfadiges Clamp-On Durchflussmessgerät zu realisieren.
[0011] Erfindungsgemäß kann das Reflektorelement bzw. können die Reflektor-elemente völlig beliebig ausgestaltet sein. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem zumindest einen Reflektorelement um ein rohrförmiges Element. Bevorzugt ist das rohrförmige Element bzw. sind die rohrförmigen Elemente konzentrisch in der Rohrleitung angeordnet.
[0012] Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das rohrförmige Element bzw. die rohrförmigen Elemente über Stege an der Innenwand der Rohrleitung bzw. der Innenwand des Messrohres fixiert ist / sind. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, gewisse Randbereiche von der Messung des Durchflusses auszunehmen. Der Steg wirkt bei dieser Ausführungsform als Schallleiter. Wiederum wird an messtechnisch interessanten Stellen der Schallleiter un¬ terbrochen. Möglich ist hierdurch beispielsweise eine Durchflussmessung nur im Zentral- oder Kernbereich der Rohrleitung bzw. des Meßrohres.
[0013] Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Reflektorelement bzw. sind die Re¬ flektorelemente scheibenförmig ausgebildet. Wiederum ist das Reflektorelement bzw. sind die Reflektorelemente über einen oder mehrere Stege an der Innenwand der Rohrleitung bzw. des Meßrohres fixiert. In diesem Fall sind Reflektorelement und Steg / Stege im wesentlichen T-förmig ausgestaltet. Eine vorteilhafte Weiterbildung der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung sieht wiederum vor, dass die Ultraschallwandler und die Stege so zueinander angeordnet sind, dass die Ultraschall-Messsignale über die Stege in den Innenbereich des rohrförmigen Elements einkoppelbar bzw. aus dem In¬ nenbereich des rohrförmigen Elements auskoppelbar sind. Durch diese Ausgestaltung lässt sich der Durchfluss in einem gewünschten Segment ermitteln, da jeweils der Bereich, in dem sich die Stege befinden, von der Durchflussmessung ausgeblendet wird.
[0014] Alternativ zu einer rohrförmigen Ausgestaltung mit rundem Querschnitt kann das rohrförmige Element auch einen n-eckigen Querschnitt aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl mit n > 3 ist. Bevorzugt ist das rohrförmige n-eckige Element so aus¬ gestaltet, dass sein Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der Rohrleitung entspricht und dass das rohrförmige Element im Bereich der Ecken mit der Rohrleitung verbunden ist.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, handelt es sich bei dem Reflektorelement bzw. den Reflektorelementen um ein bzw. mehrere scheibenförmige Plättchen, die so ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass sie einen für das strömende Medium vernachlässigbaren Strömungswiderstand darstellen. Um den Durchfluss innerhalb unterschiedlicher Segmente der Rohrleitung bzw. des Messrohres zu erfassen, sind beispielsweise mehrere Plättchen in Form von räumlich zueinander versetzten Stufen einer Leiter angeordnet.
[0016] Alternativ ist es möglich, die Plättchen auf einer Helix anzuordnen. In diesem Zu¬ sammenhang sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Steuereinheit vor, über die das scheibenförmige Reflektor-Plättchen bzw. die scheibenförmigen Reflektor-Plättchen in den Schallpfad hineinbewegbar und aus dem Schallpfad herausbewegbar ist/sind. Wie bereits gesagt, sind die Plättchen entweder spiralförmig angeordnet, oder sie entsprechen den Sprossen einer versetzten Lei¬ terstruktur.
[0017] Um die Ultraschall-Messsignale aus unterschiedlichen Raumbereichen zu erfassen, ist es üblicherweise notwendig, eine entsprechende Anzahl von versetzt zueinander an¬ geordneten Ultraschallwandlern zu verwenden. Alternativ können die zumindest zwei für eine Auswertung über eine Laufzeit-differenz notwendigen Ultraschallwandler so ausgebildet sein, dass sie die Ultraschall-Messsignale bzw. die Schallfelder über einen vorgegebenen Raumbereich aussenden und/oder empfangen. Werden die Ultraschall- Messsignale unter einem auf die jeweilige Applikation abgestimmten Öffnungswinkel ausgesendet und empfangen, so genügt üblicherweise ein Sensorpaar, um erfin¬ dungsgemäß die Durchflussinformation aus unterschiedlichen Segmenten der Rohrleitung bzw. des Messrohres zur Verfügung zu stellen.
[0018] Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ultra¬ schallwandler mehrere piezoelektrische Elemente als Sende- und/oder Emp¬ fangselemente aufweisen, wobei die Sende- und/oder Empfangs-elemente in einem Array angeordnet sind. Durch geeignete Ansteuerung der Sende- und/oder Emp¬ fangselemente ist es möglich, unterschiedliche Abstrahl- bzw. Empfangswinkel und damit Schallpfade mit unterschiedlicher Winkelausrichtung zu realisieren.
[0019] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
[0020] Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit drei Ultraschallsensoren und einer Ein-/Auskopplung über Stege,
[0021] Fig. Ia: einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigte Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0022] Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit zwei Ultraschallsensoren und einer Ein-/ Auskopplung über Stege, [0023] Fig. 2a: einen Querschnitt der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0024] Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine dritte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit zwei Ultraschallsensoren und einem rohrförmigen Reflektor mit rundem Querschnitt,
[0025] Fig. 3a: einen Querschnitt der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung der erfindung sgemäßen Vorrichtung,
[0026] Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine vierte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit drei Ultraschallsensoren und einem rohrförmigen Reflektor mit rundem Querschnitt,
[0027] Fig. 4a: einen Querschnitt der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0028] Fig. 5: einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit drei Ultraschallsensoren und einem rohrförmigen Reflektor mit dreieckigem Querschnitt,
[0029] Fig. 5a: einen Querschnitt der in Fig. 5 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0030] Fig. 6: einen Längsschnitt durch eine sechste Ausgestaltung der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung mit zwei Ultraschallsensoren und einer Ein-/ Auskopplung über Stege eines T-förmigen Reflektors,
[0031] Fig. 6a: einen Querschnitt der in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0032] Fig. 7: einen Längsschnitt durch eine siebte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit vier Ultraschallsensoren und einer Ein-/Auskopplung über Stege eines T-förmigen Reflektors,
[0033] Fig. 7a: einen Querschnitt der in Fig. 7 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0034] Fig. 8: einen Längsschnitt durch eine achte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit einem feststehenden und einem verschiebbaren Ultraschallsensor und mit Reflektorplättchen,
[0035] Fig. 8a: einen Querschnitt der in Fig. 8 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
[0036] Fig. 9: einen Längsschnitt durch eine neunte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung mit zwei Ultraschallsensoren und mit Reflektorplättchen, die im Schallpfad positionierbar sind, und
[0037] Fig. 9a: einen Querschnitt der in Fig. 9 gezeigten Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung.
[0038] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung 1 mit drei Ultraschallsensoren 14a, 14b, 14c. Die Ansteuerung der Ultraschallwandler 14a, 14b, 14c sowie die Auswertung der Ultraschall- Messsignale über die Laufzeitmethode erfolgt in der Regel-/ Auswerteeinheit 4.
[0039] Bei der in den Figuren Fig. 1 (Längsschnitt) und Fig. Ia (Querschnitt) gezeigten Ausgestaltung ist das rohrförmige Reflektorelement 5 mit rundem Querschnitt kon¬ zentrisch innerhalb der Rohrleitung / des Messrohres 3 angeordnet. Das rohrförmige Reflektorelement 5 weist an seiner Außenwand 7 vier Stege 8 auf. Über die Stege 8 ist das rohrförmige Reflektorelement 5 an der Innenwand 6 der Rohrleitung / des Messrohres 3 fixiert.
[0040] Bei der gezeigten Ausgestaltung sind die Ultraschallsensoren 14a, 14b so angeordnet, dass ein Teil der Ultraschall-Messsignale über die Stege 8a, 8c ein- bzw. ausgekoppelt wird. Durch diese Ausgestaltung ist es somit möglich, den durch die Breite b der Stege 8a, 8c definierten Bereich des Innenraums 15 der Rohrleitung / des Messrohres 3 von der Durchflussmessung auszu-blenden. Bevorzugt erfolgt dies durch Subtraktion der aufgrund der bekannten Parameter berechenbaren Laufzeit auf dem Schallpfad Sl der Ultraschall-Messsignale in dem Steg 8a von der gemessenen Laufzeit, die die Ultraschall-Messignale zum Durchlaufen des Schallpfades S2 benötigen. Der Schallpfad Sl verläuft zwischen den beiden auf einer Linie zur Längsachse der Rohrleitung / des Messrohres 3 angeordneten Ultraschallwandlern 14a, 14b; der Schallpfad S2 verläuft zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Ul¬ traschallwandlern 14a, 14c. Mit dieser zuvor beschriebenen Ausgestaltung ist es möglich, den Durchfluss des Messmediums 2 in dem Zentralbereich der Rohrleitung / des Messrohres 3 zu bestimmen. Bei einem derartigen Aufbau ist der Wert des gemessenen Durchflusses relativ zum mittleren Durchfluss des Messmediums 2 weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl. Daher lässt sich diese Ausgestaltung sehr gut zur Ermittlung der Reynoldszahl bzw. der dynamischen Viskosität des Messmediums 2 heranziehen.
[0041] Die Figuren Fig. 2 und Fig.2a zeigen unterschiedliche Schnitte einer zweiten Aus¬ gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Von der in Fig. 1 gezeigten Aus¬ gestaltung unterscheidet sich diese Ausgestaltung dadurch, dass lediglich zwei Ultra¬ schallsensoren 14a, 14b eingesetzt werden. Ebenso wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Ein-/Auskopplung der Ultraschall-Messsignale über Stege 8, allerdings sind diese Stege 8. Aufgrund der unterbrochenen Schallleitung stehen besser auswert-bare Messsignale zur Verfügung. Wiederum beschränkt sich die Messung auf die Bestimmung des Durchflusses des Messmediums 2 im Zentralbereich 16 der Rohrleitung / des Messrohres.
[0042] Während bei den in den Figuren Fig.l, Fig. Ia, Fig.2, Fig. 2a dargestellten Ausge¬ staltungen definierte Randbereiche 17 bei der Bestimmung des Durchflusses aus- geblendet werden - erreicht wird dies durch eine Ein- und Auskopplung der Ul¬ traschall-Messsignale über die Stege 8 -, beschränkt sich die in den Figuren Fig. 3 und Fig. 3a dargestellte Lösung auf eine Bestimmung des Durchflusses in dem Randbereich 17. Bei dieser Lösung werden die von einem Ultraschallwandler 14a, Ib ausgesendeten Ultraschall-Messsignale jeweils an dem rohrförmigen Reflektorelement 5 reflektiert und von dem jeweils anderen Ultraschallwandler 14b, 14a empfangen.
[0043] Die in den Figuren Fig. 4, Fig. 4a gezeigte Lösung besitzt zusätzlich zu der in den Figuren Fig.3, Fig. 3a gezeigten Lösung noch einen zusätzlichen, gegen- überliegenden Ultraschallwandler 14c. Mit dieser Lösung ist es möglich, den Durchfluss des Messmediums 2 in der Rohrleitung / im Messrohr 3 sowohl für den Randbereich 17 als auch für den Zentralbereich 16 unabhängig voneinander zu bestimmen.
[0044] Die in den Figuren Fig. 5 und Fig. 5a gezeigte Ausgestaltung der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausfüh¬ rungsform (Fig. 4, Fig. 4) durch die Form des Reflektorelements 9: Das Reflek¬ torelement 9 hat einen dreieckigen Querschnitt. Das Reflektorelement 9 ist so di¬ mensioniert, dass es mit den Eckbereichen an der Innenwand 6 der Rohrleitung / des Messrohres 3 fixiert ist.
[0045] Die Figuren Fig. 6, Fig. 6a, Fig. 7, Fig. 7a zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei beiden gleich ist, dass die Reflekto¬ relemente 10 hier T-förmig ausgestaltet sind. Die Unterschiede liegen in der Anzahl und der Anordnung der Ultraschallwandler 14.
[0046] Eine interessante Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in den Figuren Fig. 8 und Fig. 8a dargestellt: hier sind eine Vielzahl von Reflektorplättchen 11 in einer leiterförmigen Struktur angeordnet. Die einzelnen Reflektorplättchen 11 bilden die räumlich zueinander versetzten Sprossen der Leiter 12. Damit die Ultraschall- Messsignale an den Reflektorplättchen 11 reflektiert werden - und somit die Laufzeit¬ information aus unterschiedlichen Bereichen der Rohrleitung / des Messrohres 3 zur Verfügung steht - sieht eine Alternative eine entsprechende Verschiebung von zumindest einem Ultraschallwandler 14a, 14b entlang der Verbindungs-linie der beiden Ultraschallwandler 14a, 14b vor. Alternativ kann auch eine Vielzahl von Ultra¬ schallwandlern 14 an den eingezeichneten Positionen vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, Ultraschallwandler 14 zu verwenden, die einen großen Öffnungswinkel aufweisen, so dass sie die Ultraschall-Messsignale in einen relativ breiten Raumbereich aussenden und die an den Reflektorplättchen 11 reflektierten Ultraschall- Messsignale empfangen können. Weiterhin können die Ultraschallwandler 14 eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen als Sende- und/oder Empfangselemente aufweisen, wobei die Sende- und/oder Empfangselemente in einem Array angeordnet sind. Durch geeignete Ansteuerung der Sende- und/oder Empfangselemente durch die Regel-/ Aus werteeinheit 4 ist es möglich, unterschiedliche Abstrahl- bzw. Emp¬ fangswinkel und damit Schallpfade mit unterschiedlichen Winkelausrichtungen zu realisieren.
[0047] Eine letzte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in den Figuren Fig. 9 und Fig. 9a dargestellt. Die Reflektorplättchen 11 sind hier in einer Helix 13 derart beabstandet und aufgereiht, dass jeweils ein Reflektorplättchen 11 durch Drehen der Helix 13 um ihre Längsachse in den Schallpfad der Ultraschallwandler 14a, 14b hineingedreht wird. Die Drehung der Helix kann entweder schrittweise oder konti¬ nuierlich erfolgen. Durch diese Ausgestaltung lässt sich eine hohe Auflösung des Strö¬ mungsprofils des Messmediums 2 in der Rohrleitung / in dem Messrohr 3 bei Verwendung von lediglich zwei Ultraschallwandlern 14a, 14b erreichen.
[0048] Bezugszeichenliste
[0049] 1 erfindungsgemäße Vorrichtung
[0050] 2 Messmedium
[0051 ] 3 Rohrleitung / Messrohr
[0052] 4 Regel-/Auswerteeinheit
[0053] 5 rohrförmiges Reflektorelement mit rundem Querschnitt
[0054] 6 Innenwand der Rohrleitung / des Messrohres
[0055] 7 Außenwand des rohrförmigen Reflektorelements
[0056] 8 Steg
[0057] 9 rohrförmiges Reflektorelement mit dreieckigem Querschnitt
[0058] 10 T-förmiges Reflektorelement
[0059] 11 Reflektorplättchen
[0060] 12 Leiter mit versetzt angeordneten Reflektorplättchen
[0061] 13 in einer Helix angeordnete Leiterplättchen
[0062] 14 Ultraschallwandler
[0063] 15 Innenraum der Rohrleitung / des Messrohrs
[0064] 16 Zentralbereich
[0065] 17 Randbereich
[0066] 18 Längsachse der Rohrleitung / des Messrohrs

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder
Massendurchflusses eines Mediums, das eine Rohrleitung /ein Messrohr (3) mit einem Innendurchmesser (D) in einer Strömungsrichtung (S) durchfließt, mit zumindest zwei Ultraschallwandlern (14), die die Ultraschall-Messsignale entlang definierter Schallpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/Aus werteeinheit (4), die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums (2) in der Rohrleitung / in dem Messrohr (3) anhand der Ul¬ traschall-Messsignale nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip ermittelt, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass zumindest ein Reflektorelement (5, 9, 10, 11, 12, 13) im Innenraum (15) der Rohrleitung / des Messrohres (3) vorgesehen ist, dass das Reflektorelement (5, 9, 10, 11, 12, 13) einen definierten Abstand (d) von der Innenwand (6) der Rohrleitung / des Messrohres (3) aufweist und dass das Re¬ flektorelement (5, 9, 10, 11, 12, 13) in einem durch die Rohrleitung / das Messrohr (3) verlaufenden Schallpfad der Ultraschall-Messsignale angeordnet ist.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Durchflussmessgerät um ein Clamp-On-Durchfluss-messgerät oder um ein Inline-Messgerät handelt, das in die Rohrleitung (3) integriert ist.
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zumindest einen Reflektorelement um ein rohrförmiges Reflek¬ torelement (5) handelt.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Reflektorelement bzw. die rohrförmigen Elemente (5) konzentrisch in der Rohrleitung / im Messrohr (3) angeordnet ist / sind.
[0005] 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenwand (7) des rohrförmigen Reflektorelements (5) und der Innenwand (6) der Rohrleitung / dem Messrohr (3) Stege (8) vorgesehen sind, über die das rohrförmige Reflektorelement (5) in der Rohrleitung / im Messrohr (3) fixiert ist.
[0006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Re¬ flektorelement (10) bzw. die Reflektorelemente (10) mit den Stegen (8) im wesentlichen T-förmig ausgebildet sind.
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ultraschallwandler (14) so angeordnet sind, dass die Ultraschall-Messsignale über die Stege (8) in einen Innenbereich (15) des rohrförmigen Reflekto¬ relements (5) oder des T-förmigen Reflektorelements (10) einkoppel-bar bzw. aus dem Innenbereich (15) des rohrförmigen Reflektorelements (5) oder des T- förmigen Reflektorelements (10) auskoppelbar sind.
[0008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element (9) einen n-eckigen Querschnitt aufweist, wobei n eine natürliche Zahl mit n > 3 ist.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige n-eckige Element (9) so ausgestaltet ist, dass sein Außen¬ durchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der Rohrleitung / des Messrohrs (3) entspricht und dass das rohrförmige Element (9) im Bereich der Ecken mit der Rohrleitung / dem Messrohr (3) verbunden ist.
[0010] 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Reflektorelement bzw. den Reflektorelementen um scheibenförmige Re- flektorplättchen (11) handelt, die so ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass sie für das strömende Messmedium (2) einen vernach-lässigbaren Strömungs¬ widerstand darstellen.
[0011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-
/Aus werteeinheit (4) über einen Mechanismus das Reflektorplättchen (11) bzw. die Reflektorplättchen in den Schallpfad der von den Ultraschallwandlern (14) ausgesendeten und empfangenen Ultraschall-Messsignale hineinbewegt bzw. aus dem Schallpfad herausbewegt.
[0012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ul¬ traschallwandler (14) so ausgebildet sind, daß sie Ultraschall-Messsignale bzw. Schallfelder über einen vorgegebenen Raumbereich aussenden und/oder empfangen.
[0013] 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultra¬ schallwandler (14) mehrere piezoelektrische Elemente als Sende- und/oder Emp¬ fangselemente aufweisen, wobei die Sende- und/oder Empfangselemente in einem Array angeordnet sind.
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