EP2656018A1 - Ultraschall-durchflussmessgerät - Google Patents

Ultraschall-durchflussmessgerät

Info

Publication number
EP2656018A1
EP2656018A1 EP11790592.7A EP11790592A EP2656018A1 EP 2656018 A1 EP2656018 A1 EP 2656018A1 EP 11790592 A EP11790592 A EP 11790592A EP 2656018 A1 EP2656018 A1 EP 2656018A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
bore
measuring tube
window
longitudinal axis
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Withdrawn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
EP11790592.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Berberig
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 EP2656018A1 publication Critical patent/EP2656018A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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 present invention relates to an ultrasonic flowmeter, with a
  • Ultrasonic transducer in a bore of a measuring tube, which ultrasonic transducer has an ultrasound radiating surface, hereinafter called ultrasound window.
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
  • the known ultrasonic flowmeters often work according to the Doppler or the transit time difference principle.
  • ultrasonic pulses When running time difference principle, the different maturities of ultrasonic pulses are evaluated relative to the flow direction of the liquid. For this purpose, ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow. From the transit time difference, the flow rate and thus at known
  • the ultrasonic waves are generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers.
  • the transit time is determined in US-A 50 52 230 by means of short ultrasonic pulses.
  • the ultrasonic transducers are mounted in contact with the medium or fluid.
  • a significantly higher sound power can be coupled into the fluid in comparison to clamp-on systems, and the sound can be transmitted to the fluid
  • Measuring tube is guaranteed under all operating conditions.
  • In order to maximize the ratio of useful signal to interference signal usually comes an arrangement of
  • Ultrasonic transducer is used, in which the ultrasonic transducers on a direct
  • Measuring tube axis because in this case the ultrasonic transducers or introduced into the measuring tube reflectors are within the flow. These limitations result in an ultrasound transducer arrangement, which is inclined for the measurement tube axis, typically for ultrasonic flowmeters, which is used in conjunction with the ultrasonic transducer
  • the ultrasonic transducers do not protrude into the flow, e.g. To minimize flow losses, to protect the units from abrasion or damage, so arise between the ultrasonic transducer and the
  • Cylinder jacket of the flow-through measuring tube hereinafter referred to as measuring tube boundary surface, fluid-filled cavities.
  • Grid insert proposed to be acoustically permeable due to adapted dimensions.
  • a disadvantage of this solution is the expected acoustic attenuation or scattering of the sound as well as the risk of clogging of the mesh with fluids
  • JP2003202254 there is a proposal in which the cavities described above are closed by a kind of pinhole.
  • the cavity between ultrasonic transducer unit and pinhole should be designed so that laterally directed sound waves run dead fast.
  • Such a device due to the reduced sound opening to a weakening of the useful signal, could clog in fluids with solids fractions, and leads to a possible air entrapment when used in liquids, which also adversely affects the useful signal strength.
  • the object of the invention is to propose an ultrasonic flow meter, which has a high accuracy of measurement over one from laminar to highly turbulent
  • baffles in the described cavity between the ultrasonic window and measuring tube boundary surface causes the formation of secondary flows described in these cavities is hindered. This is done on the one hand by geometric subdivision of the cavity through the baffles, which significantly reduce the volume for such currents and provide for an early deflection of moving in the flow components in the cavity.
  • additional surfaces cause additional fluid shear stresses, which result from the interaction between baffle (keyword "wall condition") and adjacent fluid volume resulting in an increased local deceleration of moving fluid fractions.
  • a guide plate according to the invention is a substantially planar thin plate with approximately plane-parallel plate surfaces. It is not limited to a "sheet metal" in the colloquial sense.
  • the first or further baffles may be made of metal to meet hygiene requirements sufficient in particular stainless steel such as
  • baffle refers only to the shape of the same. According to one embodiment of the invention, the baffles extend to the
  • Measuring tube interface because there the secondary components due to the interaction between the main flow and fluid volume in the bore cavity have their origin.
  • Main flow direction in the measuring tube which in particular corresponds to the measuring tube longitudinal axis, by the type of attachment of the baffles in the bore cavity, for example at the bore wall, the ultrasonic window or at an annular gap around the ultrasonic transducer, or through the constructive design of the baffles in the vicinity of the ultrasonic window, eg with
  • FIG. 2 shows the ultrasonic transducer from FIG. 1 with baffles according to the invention arranged in a cruciform manner in the bore and rotated at 45 ° thereto,
  • Fig. 3 shows an ultrasonic transducer with baffles according to the invention with recesses in the baffles.
  • Fig. 1 is an inventive ultrasonic flowmeter, with a
  • Ultrasonic transducer 5 in a bore 4 of a measuring tube 2, which ultrasonic transducer 5 has an ultrasonic window 6, is shown.
  • a first baffle 7 is in the bore 5 of the measuring tube 2 in front of the ultrasonic window 6 and perpendicular to the ultrasonic window 6 of the
  • Ultrasonic transducer 5 is used.
  • the ultrasonic flowmeter is a so-called in-line ultrasonic flowmeter, which includes the measuring tube 2 with.
  • the ultrasonic window 6 is also called active area. By this ultrasonic window 6 ultrasonic signals are coupled out of the ultrasonic transducer 5 or in the
  • Ultrasonic transducer 5 coupled.
  • the bore 4 in the measuring tube 2, more precisely in the wall 3 of the measuring tube 2, in which the ultrasonic transducer 5 and the first baffle 7 are used, has a bore longitudinal axis, not shown here. This is, for transit time difference measurement by means of the ultrasonic flowmeter, inclined to the main flow direction of the medium in the measuring tube 2.
  • the bore longitudinal axes lie in a first plane parallel to each other and additionally parallel to a second plane in which the measuring tube is located. If now the bore longitudinal axes would be moved parallel to the second plane, they would cut the measuring tube longitudinal axis at an angle not equal to 90 °.
  • the angles for the ultrasonic signal paths between two ultrasonic transducers of a conventional in-line ultrasonic flowmeter, in which the ultrasonic transducers face each other, in particular their ultrasonic windows lie in parallel planes, and an ultrasonic signal path forms a straight line, in which both bore longitudinal axes lie, in which holes the Both ultrasonic transducers are used are typically between 30 and 60 ° to
  • the ultrasonic flowmeter is a single-jet measuring device, only two opposing ultrasonic transducers 5 are provided, between which only one signal path runs and, as a rule, this intersects the measuring tube longitudinal axis. Then, of course, no parallel shift described above is necessary. However, if it is a multi-beam device with multiple signal paths, these are usually offset from the center and thus out of the second level of the measuring tube longitudinal axis.
  • the bore 4 in this embodiment of the invention has a bore longitudinal axis in the first plane parallel to the second plane of the Meßrohrlijnsachse, wherein the distance between the two levels greater than 10%, in particular greater than 25%, of the diameter of the measuring tube is 2.
  • a multi-beam ultrasonic flowmeter for example, a four-beam ultrasonic flowmeter and its illustrated section shows an offset from the middle of the measuring tube 2 out ultrasonic transducer 5.
  • the invention can also be used in single-beam, two-beam or multi-beam ultrasonic flowmeters , Especially in those that determine the flow by means of the transit time difference principle.
  • the bore 4 in the measuring tube wall 3 forms a cavity in the measuring tube wall 3. This cavity is partially filled in by it
  • the inner surface of the measuring tube wall 3 limits the volume of the measuring tube 2 and thus the medium located therein.
  • the measuring tube wall 3 is changed.
  • the above-described, original inner surface of the measuring tube 2, in particular in the region of the bore 4, is referred to below as the measuring tube boundary surface.
  • the bore 4 and thus the cavity formed by it in the measuring tube wall 3 is through the
  • the first guide plate 7 is inserted into the hollow space of the bore 4 between the ultrasonic window 6 of the ultrasonic transducer 5 and the measuring tube boundary surface in the bore 4 of the measuring tube 2 in its measuring tube wall 3 perpendicular to the ultrasonic window 6 of the ultrasonic transducer 5 in the hollow space of the bore 4 which is not filled by the ultrasonic transducer 5. It is thin compared to its longitudinal and / or transverse extent, here perpendicular to the ultrasonic window 6 of the ultrasonic transducer 5. It thus has a significant extent parallel to
  • the first baffle 7 does not substantially project into the measuring tube 2, according to one embodiment. Here it touches the measuring tube interface, but does not cut it. Its facing the interior of the measuring tube 2 and thus facing away from the ultrasonic window 6 of the ultrasonic transducer 5 end face forms the contour of the measuring tube boundary surface. Simplified, this front side could also be formed by one, two or more straight sections or any other shape which approximates the contour of the measuring tube boundary.
  • the ultrasonic transducer 5 here has a circular ultrasonic window 6 and thus a
  • the width of the first guide plate 7 perpendicular to the bore longitudinal axis corresponds for example to at least the diameter of the
  • Ultrasonic window 6 corresponds to the diameter of the bore 4, also because the bore 4 is circular here. Otherwise, appropriate equivalents to the diameter are to be used. Since, as described above, the first guide plate 7 simulates the contour of the measuring tube boundary surface on its end face facing the interior of the measuring tube 2, it is here
  • the first guide plate is formed approximately triangular, since the ultrasonic window 6 also approximately touches the measuring tube interface.
  • the first guide plate has at least one point, here at its the ultrasonic window 6 facing end side to this width.
  • the end face of the first guide plate facing the ultrasonic window can have recesses and thus not the entire width of the first guide plate is filled with material.
  • baffle can be sufficient to meet the requirements
  • the ultrasonic flowmeter according to the invention thus has a second baffle 8 in the bore 4 in front of the ultrasonic window 6 and perpendicular to the ultrasonic window 6 of
  • Ultrasonic transducer 5 on. This is shaped trapezoidal here. All of the above statements relating to the first baffle 7 are also transferable to the second baffle 8 and apply mutatis mutandis to the second baffle and / or a third baffle or other baffles, if any. That Here, the second baffle 8 is of course also thin and does not protrude significantly into the measuring tube 2 inside.
  • the second baffle 8 is used according to the illustrated embodiment perpendicular to the first guide plate 7 in the bore 4.
  • the second baffle 8 is here in the first plane of the bore longitudinal axis.
  • the first guide plate 7 is thus perpendicular to this first plane.
  • the described position of the guide plates 7 and 8 to the first plane of the bore longitudinal axis parallel to the plane of the Meßrohrlinhosachse depends on the respective conditions such as,
  • angles between 0 and 90 °, ie 5 °, 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 40 °, 45 °, 50 °, 55 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 °, 80 °, 85 ° and 90 ° of the baffles conceivable to each other.
  • this is the case when a further, third baffle is inserted into the bore of the measuring tube in front of the ultrasonic window and perpendicular to the ultrasonic window of the ultrasonic transducer.
  • the angles between the baffles can be the same size, so here 60 °.
  • Fig. 2 an inventive ultrasonic flowmeter is now seen, the bore longitudinal axis in a first plane parallel to a second plane of the
  • Measuring tube longitudinal axis is, wherein the first guide plate 7 is in a third plane in a Wnkel of 45 ° to the first plane of the bore longitudinal axis.
  • a second guide plate 8 is inserted into the bore 4 of the measuring tube 2 in front of the ultrasonic window 6 and perpendicular to the ultrasonic window 6 of the ultrasonic transducer 5 and perpendicular to the first guide plate 7.
  • the inline ultrasonic flowmeter according to the invention minimizes the by the
  • the position of the baffles depends on the first level of the
  • FIG. 3 illustrates that the first baffle 7 has recesses 9, which the
  • Ultrasonic windows 6 are facing, to avoid deposits.
  • Ultrasonic transducer 5 and the measuring tube wall 3 an annular gap 10, since the ultrasonic transducer 5 does not completely fill the bore 4 radially to the bore longitudinal axis.
  • the baffles may be designed so that they at least partially extend into this annular gap 10. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

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

Abstract

Ultraschall-Durchflussmessgerät, mit einem Ultraschallwandler (5) in einer Bohrung (4) eines Messrohrs (2), welcher Ultraschallwandler (5) ein Ultraschallfenster (6) aufweist, wobei ein Leitblech (7) in die Bohrung (4) des Messrohrs vor das Ultraschallfenster (6) und senkrecht zum Ultraschallfenster (6) des Ultraschallwandlers (5) eingesetzt ist.

Description

Ultraschall-Durchflussmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, mit einem
Ultraschallwandler in einer Bohrung eines Messrohrs, welcher Ultraschallwandler eine ultraschallabstrahlende Fläche aufweist, im Weiteren Ultraschallfenster genannt.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen. Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem
Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Die Laufzeit wird in der US-A 50 52 230 mittels kurzer Ultraschallimpulse ermittelt.
Bei so genannten Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschallwandler mediums- oder fluidberührend angebracht. Hierdurch lässt sich eine im Vergleich zu Clamp-on- Systemen wesentlich höhere Schallleistung in das Fluid einkoppeln, und lassen sich die
Ultraschallwandler vom Messrohr akustisch entkoppeln, wodurch das Verhältnis von Nutzsignal (Schallübertragung im Fluid) zu Störsignal (Schallübertragung im umgebenden Messrohr) verbessert wird. Darüber hinaus lässt sich hierdurch trotz schräg zur Hauptströmung verlaufender Schallmesspfade eine senkrecht zur mediumsberührenden Wandung verlaufende
Schalleinkopplung realisieren, die den eigentlichen Messeffekt von Änderungen der
Schallgeschwindigkeit unabhängig macht.
Zur fluidberührenden Anbringung der Ultraschallwandler sind seitliche Öffnungen im Messrohr erforderlich, in denen die Ultraschallwandler so befestigt werden, dass die Dichtheit des
Messrohrs unter sämtlichen Betriebsbedingungen gewährleistet ist. Um das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal zu maximieren kommt üblicherweise eine Anordnung der
Ultraschallwandler zum Einsatz, bei der die Ultraschallwandler auf einer direkten
Verbindungslinie liegend einander gegenüber stehen. Alternativ dazu sind Anordnungen bekannt geworden, bei denen der Schall über Mehrfachreflexion an der Messrohrinnenwand vom Sender zum Empfänger gelangt. Für die in Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräte üblicherweise eingesetzten Ultraschall- Messverfahren basierend auf der Laufzeitdifferenz oder einer Phasendifferenz oder einer Frequenzdifferenz darf die Achse, auf der die Ultraschallwandler einander gegenüber liegen, nicht senkrecht zur Messrohrachse angeordnet sein, um den gewünschten Messeffekt zu erzielen. Soll weiterhin die Strömung möglichst ungestört das Ultraschall-Durchflussmessgerät durchströmen, verbietet sich ebenfalls eine Ultraschallwandleranordnung parallel zur
Messrohrachse, weil in diesem Fall die Ultraschallwandler oder in das Messrohr eingebrachte Reflektoren innerhalb der Strömung liegen. Aus diesen Einschränkungen resultiert eine für Ultraschall-Durchflussmessgeräte typischerweise zur Messrohrachse geneigte Ultraschallwandleranordnung, die in Verbindung mit der
gewünschten Mediumsberührung zu Bohrungen quer durch das Messrohr führt, in die die Ultraschallwandler von außen eingesetzt werden. Ragen die Ultraschallwandler nicht in die Strömung hinein, z.B. zur Minimierung von Strömungsverlusten, zum Schutz der Einheiten vor Abrieb oder Beschädigung, so ergeben sich zwischen dem Ultraschallwandler und dem
Zylindermantel des durchströmten Messrohrs, nachfolgend Messrohrgrenzfläche genannt, fluidgefüllte Hohlräume.
In diesen Hohlräumen kommt es zu unterschiedlichen, insbesondere von der Re-Zahl abhängigen Strömungszuständen. Diese Strömungszustände werden maßgeblich durch die Interaktion zwischen Messrohrgrenzfläche und Fluidvolumen im
Ultraschallwandlerbohrungshohlraum beeinflusst. In Fällen, in denen im Hohlraum
Geschwindigkeitskomponenten in Schallmesspfadrichtung auftreten, überlagern diese
Komponenten die eigentlichen Messgröße, nämlich die Geschwindigkeitskomponenten der Hauptströmung in Schallmesspfadrichtung. Hierdurch kann es zu beträchtlichen Messfehlern in der Größenordnung von mehreren Prozent kommen, je nach Verhältnis von Ultraschallwandler- Bohrungsdurchmesser zu Messrohrinnendurchmesser bzw. Ultraschallwandler-Hohlraumlänge zu Messpfadgesamtlänge. Ein Ansatz zur Korrektur dieser Messfehler besteht darin, eine Bestimmung der aktuellen Re-Zahl vorzunehmen und damit eine gezielte Messfehlerkorrektur im Zuge der Signalverarbeitung durchzuführen. In US5987997 ist ein Verfahren beschrieben, das für eine solche nachträgliche Korrektur der Messwertabweichungen sorgt. Darin wird vorgeschlagen, anhand der Verhältnisse von Geschwindigkeiten bzw. der Differenzen von Geschwindigkeiten entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Messpfade die Re-Zahl des durchströmenden Fluids durchgängig zu bestimmen. Diese Lösung ist jedoch nur eingeschränkt einsetzbar, da sich spätestens für Re < 1 Ό00 (= laminar ausgebildetes Strömungsprofil) die Geschwindigkeitsverhältnisse nicht mehr verändern und damit eine eindeutige Bestimmung der Re-Zahl unmöglich wird. Auch für Re > 3Ό00 ist die Bestimmung nicht immer eindeutig. Weiterhin kann es bei dieser Form von Messfehlerkorrektur zu erheblichen zusätzlichen Messwertabweichungen kommen: bei gestörter Anströmung, z.B. hinter Rohrbögen oder Ventilen, entstehen Strömungszustände mit
Geschwindigkeitsverhältnissen zwischen unterschiedlichen Messpfaden im Inline-Ultraschall- Durchflussmessgerät, welche die Signalverarbeitung als eine bestimmte Re-Zahl interpretiert und einen entsprechenden Korrekturfaktor anwendet. Die„echte" Re-Zahl, gebildet aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Messquerschnitt, kann jedoch erheblich abweichen. Somit stimmt der angewandte Korrekturfaktor mit dem aktuellen Strömungszustand nicht mehr überein, und kommt es deshalb zu einem zusätzlichen Messfehler. Zur Vermeidung der Interaktion zwischen Messrohrgrenzfläche und dem Fluid in den oben beschriebenen Hohlräumen wird in Fig. 1 1 der US3906791 ein messrohrwandbündiger
Gittereinsatz vorgeschlagen, der aufgrund angepasster Abmessungen akustisch durchlässig sein soll. Nachteilig an dieser Lösung sind die zu erwartende akustische Dämpfung bzw. Streuung des Schalls sowie die Gefahr des Zusetzens der Gittermaschen bei Fluiden mit
Festkörperanteilen. In Fig. 12 des genannten Dokuments kommt eine Kunststoff-
Abdeckplatte/Membran für die Hohlräume zum Einsatz. Mit dieser Platte jedoch geht nicht nur eine Schwächung des Nutzsignals einher, sondern kommt es darüber hinaus zu einer
Schallbrechung, die stark temperaturabhängig ist. Auch das blasenfreie Befüllen des Hohlraums zwischen Ultraschallwandler-Einheit und der Platte, eine Anforderung beim Einsatz mit unterschiedlichem statischem Druck, gestaltet sich sehr aufwändig.
In der JP2003202254 findet sich ein Vorschlag, bei dem die oben beschriebenen Hohlräume durch eine Art Lochblende verschlossen werden. Der Hohlraum zwischen Ultraschallwandler- Einheit und Lochblende soll so gestaltet sein, dass seitlich gerichtete Schallwellen sich schnell totlaufen. Eine solche Vorrichtung führt jedoch aufgrund der reduzierten Schallöffnung zu einer Abschwächung des Nutzsignals, könnte bei Fluiden mit Festkörperanteilen verstopfen, und führt beim Einsatz in Flüssigkeiten zu einem möglichen Lufteinschluss, der sich ebenfalls nachteilig auf die Nutzsignalstärke auswirkt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzuschlagen, welches eine hohe Messgenauigkeit über einen vom laminaren bis zum hochturbulenten
Strömungszustand reichenden Re-Zahlenbereich aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 12.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wieder.
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind dabei, dass keine Korrektur der Messwerte, z.B. mittels eines Korrekturalgorithmus in der Signalverarbeitung, nötig ist, um eine hohe Robustheit zu gewährleisten, dass keine Abschwächung des Nutzsignals auftritt und kein nennenswerter zusätzlicher Druckverlust entsteht, dass die Lösung nicht einschränkend hinsichtlich der
Applikationen des Messgeräts ist, und dass die Erfindung mit geringen Fertigungskosten einhergeht.
Die erfindungsgemäße Lösung, der Einsatz eines oder mehrerer sogenannter Leitbleche in den beschriebenen Hohlraum zwischen Ultraschallfenster und Messrohrgrenzfläche bewirkt, dass die Ausbildung von beschriebenen Sekundärströmungen in diesen Hohlräumen behindert wird. Dies geschieht zum einen durch geometrische Unterteilung des Hohlraums durch die Leitbleche, die das Volumen für solche Strömungen deutlich verkleinern und für eine frühzeitige Umlenkung von in Bewegung geratener Strömungsanteile im Hohlraum sorgen. Zum anderen verursachen die zusätzlichen Oberflächen zusätzliche Fluidschubspannungen, die sich aus der Interaktion zwischen Leitblech (Stichwort„Wandhaftbedingung") und angrenzendem Fluidvolumen ergeben. Hieraus resultiert eine verstärkte lokale Abbremsung von bewegten Fluidanteilen.
Verwendet werden diese erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräte insbesondere zur Messung von Öl als Medium oder zu Messung von Medien mit einer kinematischen Viskosität v größer 5 mm2/s, und teilweise bei hochviskosen Flüssigkeiten mit v > 100 mm2/s). Bei einem erfindungsgemäßen Leitblech handelt es sich um eine im Wesentlichen planare dünne Platte mit näherungsweise planparallelen Plattenoberflächen. Es ist nicht auf ein„Blech" im umgangssprachlichen Sinne beschränkt. Das erste oder weitere Leitbleche können aus Metall hergestellt sein, um Hygienevorschriften zu genügend insbesondere aus Edelstahl wie z.B.
1.4404 oder 1.4571 . Darauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Auch soll das
Fertigungsverfahren des Leitblechs nicht auf Walzen beschränkt gelten. Kunststoffe, Gläser oder Keramiken oder Verbundmaterialen sollen mit dem Begriff Leitblech nicht ausgeschlossen und mit umfasst werden, egal wie diese Leitbleche dann hergestellt werden. Der Begriff Leitblech bezieht sich lediglich auf die Form desselben. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Leitbleche bis hin zur
Messrohrgrenzfläche, weil dort die Sekundärkomponenten aufgrund der Interaktion zwischen Hauptströmung und Fluidvolumen im Bohrungshohlraum ihren Ursprung haben.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich durch die Anzahl an eingesetzten Leitblechen pro Bohrungshohlraum, durch die Ausrichtung der Leitbleche in Bezug auf die
Hauptströmungsrichtung im Messrohr, welche insbesondere der Messrohrlängsachse entspricht, durch die Art der Befestigung der Leitbleche im Bohrungshohlraum, z.B. an der Bohrungswand, dem Ultraschallfenster oder an einem Ringspalt um den Ultraschallwandler, oder durch die konstruktive Ausgestaltung der Leitbleche in der Nähe des Ultraschallfensters, z.B. mit
Aussparungen zur Vermeidung von Ablagerungen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen hier kurz anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Ultraschallwandler mit erfindungsgemäßen Leitblechen kreuzförmig in der Bohrung angeordnet,
Fig. 2 zeigt den Ultraschallwandler aus Fig. 1 mit erfindungsgemäßen Leitblechen kreuzförmig in der Bohrung angeordnet und 45° dazu gedreht,
Fig. 3 zeigt einen Ultraschallwandler mit erfindungsgemäßen Leitblechen mit Aussparungen in den Leitblechen.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät, mit einem
Ultraschallwandler 5 in einer Bohrung 4 eines Messrohrs 2, welcher Ultraschallwandler 5 ein Ultraschallfenster 6 aufweist, dargestellt. Ein erstes Leitblech 7 ist dabei in die Bohrung 5 des Messrohrs 2 vor das Ultraschallfenster 6 und senkrecht zum Ultraschallfenster 6 des
Ultraschallwandlers 5 eingesetzt. Bei dem Ultraschall-Durchflussmessgerät handelt es sich um ein so genanntes Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches das Messrohr 2 mit umfasst. Das Ultraschallfenster 6 wird auch aktive Fläche genannt. Durch dieses Ultraschallfenster 6 werden Ultraschallsignale aus dem Ultraschallwandler 5 ausgekoppelt oder in den
Ultraschallwandler 5 eingekoppelt.
Die Bohrung 4 im Messrohr 2, genauer gesagt in der Wand 3 des Messrohrs 2, in welche der Ultraschallwandler 5 und das erste Leitblech 7 eingesetzt sind, weist eine hier nicht dargestellte Bohrungslängsachse auf. Diese steht, zur Laufzeitdifferenzmessung mittels des Ultraschall- Durchflussmessgeräts, geneigt zur Hauptströmungsrichtung des Mediums im Messrohr 2. Bei Mehrstrahl-Messgeräten liegen die Bohrungslängsachsen in einer ersten Ebene parallel zueinander und zusätzlich parallel zu einer zweiten Ebene, in welcher die Messrohrlängsachse liegt. Würden nun die Bohrungslängsachsen parallel in die zweite Ebene verschoben werden, würden sie die Messrohrlängsachse in einem Winkel ungleich 90° schneiden. Die Winkel für die Ultraschallsignalpfade zwischen zwei Ultraschallwandlern eines herkömmlichen Inline-Ultraschall- Durchflussmessgeräts, in welchem sich die Ultraschallwandler gegenüberstehen, insbesondere deren Ultraschallfenster in parallelen Ebenen liegen, und ein Ultraschallsignalpfad eine Gerade bildet, in welcher auch beide Bohrungslängsachsen, liegen, in welchen Bohrungen die beiden Ultraschallwandler eingesetzt sind, betragen typischerweise zwischen 30 und 60° zur
Messrohrlängsachse und damit zur Hauptströmungsrichtung des Mediums im Messrohr. Handelt es sich bei dem Ultraschall-Durchflussmessgerät um ein Einstrahl-Messgerät, so sind nur zwei gegenüberliegende Ultraschallwandler 5 vorgesehen, zwischen denen lediglich ein Signalpfad verläuft und dieser im Regelfall die Messrohrlängsachse schneidet. Dann ist selbstverständlich keine oben beschriebene Parallelverschiebung notwendig. Handelt es sich hingegen um ein Mehrstrahlgerät mit mehreren Signalpfaden, sind diese meist aus der Mitte und somit aus der zweiten Ebene der Messrohrlängsachse heraus versetzt.
Die Bohrung 4 in dieser Ausführungsform der Erfindung weist eine Bohrungslängsachse in der ersten Ebene parallel zur zweiten Ebene der Messrohrlängsachse auf, wobei der Abstand der beiden Ebenen größer als 10%, insbesondere größer 25%, des Durchmessers des Messrohrs ist 2. Es handelt sich hier somit um ein Mehrstrahl-Ultraschall-Durchflussmessgerät, beispielsweise um ein Vierstrahl-Ultraschall-Durchflussmessgerät und dessen dargestellten Ausschnitt zeigt einen aus der Mitte des Messrohrs 2 heraus versetzten Ultraschallwandler 5. Die Erfindung ist auch in Einstrahl-, Zweistrahl oder Mehrstrahl-Ultraschall-Durchflussmessgeräten einsetzbar, insbesondere bei solchen, die den Durchfluss mittels des Laufzeitdifferenzprinzips bestimmen.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion bildet die Bohrung 4 in der Messrohrwand 3 einen Hohlraum in der Messrohrwand 3. Dieser Hohlraum ist teilweise ausgefüllt vom darin
eingesetzten Ultraschallwandler 5. Er ist also einseitig zumindest teilweise begrenzt durch das Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5. Ist die Bohrung 4 nicht in die Messrohrwand 3 eingebracht, begrenzt die Innenfläche der Messrohrwand 3 das Volumen des Messrohrs 2 und damit das sich darin befindende Medium. Durch die Bohrung 4 wird die Messrohrwand 3 verändert. Die eben beschriebene, ursprüngliche Innenfläche des Messrohrs 2, insbesondere im Bereich der Bohrung 4, wird nachfolgend als Messrohrgrenzfläche bezeichnet. Die Bohrung 4 und damit der durch sie gebildete Hohlraum in der Messrohrwand 3 wird durch die
Messrohrgrenzfläche begrenzt. Das erste Leitblech 7 ist in den vom Ultraschallwandler 5 nicht ausgefüllten Hohlraum der Bohrung 4 zwischen dem Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5 und der Messrohrgrenzfläche in die Bohrung 4 des Messrohrs 2 in seiner Messrohrwand 3 senkrecht zum Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5 eingesetzt. Dabei ist es dünn im Vergleich zu seiner Längs- und/oder Querausdehnung, hier senkrecht zum Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5. Es weist somit eine nennenswerte Ausdehnung parallel zur
Bohrungslängsachse auf. Es handelt sich damit nicht um Streben, z.B. eines Gitters, ohne nennenswerte Ausdehnung senkrecht zu deren Längsachse. Das erste Leitblech 7 ist dünn im Vergleich zum Durchmesser der Bohrung 4. Es ist auch dünn im Vergleich zum Durchmesser des Ultraschallfensters 6, beispielsweise beträgt seine Dicke nur 1 % bis 3% des Durchmessers der Bohrung 4. Das erste Leitblech 7 ragt gemäß einer Ausgestaltung nicht wesentlich in das Messrohr 2 hinein. Hier berührt es die Messrohrgrenzfläche, schneidet sie jedoch nicht. Seine dem Innern des Messrohrs 2 zugewandte und somit vom Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5 abgewandte Stirnseite bildet die Kontur der Messrohrgrenzfläche ab. Vereinfacht könnte diese Stirnseite aber auch durch eine, zwei oder mehrere gerade Teilstrecken oder jede andere Form gebildet werden, welche sich der Kontur der Messrohrgrenzfläche annähert.
Der Ultraschallwandler 5 weist hier ein kreisrundes Ultraschallfenster 6 und damit einen
Durchmesser des Ultraschallfensters 6 auf. Die Breite des ersten Leitblechs 7 senkrecht zur Bohrungslängsachse entspricht beispielsweise mindestens dem Durchmesser des
Ultraschallfensters 6. Hier entspricht sie dem Durchmesser der Bohrung 4, auch weil die Bohrung 4 hier kreisrund ist. Ansonsten sind entsprechende Äquivalente zum Durchmesser heranzuziehen. Da, wie oben beschrieben, das erste Leitblech 7 an seiner dem Innern des Messrohrs 2 zugewandten Stirnfläche die Kontur der Messrohrgrenzfläche nachbildet, ist es hier
annäherungsweise dreieckig ausgeformt, da das Ultraschallfenster 6 ebenfalls näherungsweise die Messrohrgrenzfläche berührt. Ansonsten sind weitere Ausformungen des ersten Leitblechs denkbar, beispielsweise vereinfacht trapezförmig. Daher weist es an zumindest einer Stelle, hier an seiner dem Ultraschallfenster 6 zugewandten Stirnseite diese Breite auf. Allerdings gibt es auch Ausgestaltungen, wie in Fig. 3 später näher offenbart, in welchen die dem Ultraschallfenster zugewandten Stirnseite des ersten Leitblechs Ausnehmungen aufweisen kann und damit nicht die gesamte Breite des ersten Leitblechs mit Werkstoff ausgefüllt ist.
Je nach Anwendung kann das Vorhandensein eines Leitblechs genügen, um die gestellte
Aufgabe zu erfüllen. In der skizzierten Ausgestaltung sind jedoch zwei vorgesehen. Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät weist also ein zweites Leitblech 8 in der Bohrung 4 vor dem Ultraschallfenster 6 und senkrecht zum Ultraschallfenster 6 des
Ultraschallwandlers 5 auf. Dieses ist hier trapezförmig ausgeformt. Alle obigen Ausführungen bezogen auf das erste Leitblech 7 sind auch auf das zweite Leitblech 8 übertragbar und gelten entsprechend auch für das zweite Leitblech und/oder ein drittes Leitblech oder weitere Leitbleche, falls vorhanden. D.h. hier ist das zweite Leitblech 8 natürlich ebenfalls dünn und ragt nicht wesentlich in das Messrohr 2 hinein.
Das zweite Leitblech 8 ist gemäß der gezeichneten Ausgestaltung senkrecht auf das erste Leitblech 7 in die Bohrung 4 eingesetzt. Das zweite Leitblech 8 liegt hier in der ersten Ebene der Bohrungslängsachse. Das erste Leitblech 7 steht somit senkrecht auf dieser ersten Ebene. Die beschriebene Lage der Leitbleche 7 und 8 zur ersten Ebene der Bohrungslängsachse parallel zur Ebene der Messrohrlängsachse hängt von den jeweiligen Bedingungen wie,
Strömungsgeschwindigkeit, Viskosität und Re-Zahl des Mediums im Messrohr und/oder
Bohrungsdurchmesser und Lage der Bohrung 4 zur Mitte des Messrohrs 2 ab. Es sind Winkel zwischen 0 und 45°, also 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40° oder 45° des zweiten Leitblechs zur ersten Ebene denkbar bzw. Winkel zwischen 0° und 90° des ersten Leitblechs 7 zur ersten Ebene. Auch müssen beide Leitbleche nicht senkrecht aufeinander stehen. Auch dort sind Winkel zwischen 0 und 90°, also 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° und 90° der Leitbleche zueinander vorstellbar. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn ein weiteres, drittes Leitblech in die Bohrung des Messrohrs vor das Ultraschallfenster und senkrecht zum Ultraschallfenster des Ultraschallwandlers eingesetzt ist. Dann können die Winkel zwischen den Leitblechen gleich groß sein, also hier 60°. In Fig. 2 ist nun ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät zu sehen, wobei die Bohrungslängsachse in einer ersten Ebene parallel zu einer zweiten Ebene der
Messrohrlängsachse liegt, wobei das erste Leitblech 7 in einer dritten Ebene in einem Wnkel von 45° zur ersten Ebene der Bohrungslängsachse liegt. Auch hier ist ein zweites Leitblech 8 in die Bohrung 4 des Messrohrs 2 vor das Ultraschallfenster 6 und senkrecht zum Ultraschallfenster 6 des Ultraschallwandlers 5 und senkrecht zum ersten Leitblech 7 eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät minimiert die durch die
Hohlräume zwischen Ultraschallwandlern 5 und Messrohrgrenzflächen verursachten,
strömungsmechanisch bedingten Messwertabweichungen.
Wie bereits oben erwähnt, hängt die Lage der Leitbleche zur ersten Ebene der
Bohrungslängsachse parallel zur Ebene der Messrohrlängsachse von verschiedenen Parametern ab. Fig. 3 veranschaulicht, dass das erste Leitblech 7 Aussparungen 9 aufweist, welche dem
Ultraschallfenster 6 zugewandt sind, zur Vermeidung von Ablagerungen. Durch die
Aussparungen 9 wird unmittelbar vor dem Ultraschallfenster 6 eine Strömung des Mediums ermöglicht, welche einen verschwindend geringen oder keinen Einfluss auf die Messung des Durchflusses des Mediums durch das Messrohr 2 hat, welche jedoch hilft, Ablagerungen zu vermeiden. Wie auch in den beiden ersten Fig. zu sehen, besteht zwischen dem
Ultraschallwandler 5 und der Messrohrwand 3 ein Ringspalt 10, da der Ultraschallwandler 5 die Bohrung 4 radial zur Bohrungslängsachse nicht vollständig ausfüllt. Die Leitbleche können so ausgestaltet sein, dass sie zumindest teilweise in diesen Ringspalt 10 hineinreichen. Bezugszeichenliste
Ultraschall-Durchflussmessgerät
Messrohr
Messrohrwand
Bohrung in der Messrohrwand
Ultraschallwandler
Ultraschallfenster
Erstes Leitblech
Zweites Leitblech
Ausnehmung
Ringspalt zwischen Ultraschallwandler und Messrohrwand

Claims

Patentansprüche
Ultraschall-Durchflussmessgerät, mit einem Ultraschallwandler (5) in einer Bohrung (4) einer Wand (3) eines Messrohrs (2), welcher Ultraschallwandler (5) ein Ultraschallfenster (6) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein erstes Leitblech (7) in die Bohrung (4) vor das Ultraschallfenster (6) und senkrecht zum Ultraschallfenster (6) des Ultraschallwandlers (5) eingesetzt ist.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Leitblech (7) dünn ist im Vergleich zum Durchmesser der Bohrung (4).
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Leitblech (7) eine Breite senkrecht zu einer Bohrungslängsachse aufweist, welche mindestens dem Durchmesser des Ultraschallfensters (6) entspricht.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Leitblech (7) eine Breite senkrecht zu einer Bohrungslängsachse aufweist, welche dem Durchmesser der Bohrung (4) entspricht.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Leitblech (7) nicht oder nur unwesentlich in das Messrohr (2) hineinragt.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Leitblech (7) Aussparungen aufweist, welche dem Ultraschallfenster (6) zugewandt sind.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrungslängsachse in einer ersten Ebene parallel zu einer zweiten Ebene der Messrohrlängsachse liegt und, dass das erste Leitblech (7) in einer dritten Ebene in einem Winkel von 45° zur ersten Ebene der Bohrungslängsachse liegt.
8. Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweites Leitblech (8) in die Bohrung (4) vor das Ultraschallfenster (6) und senkrecht zum Ultraschallfenster (6) des Ultraschallwandlers (5) eingesetzt ist.
9. Ultraschall-Durchflussmessgerät Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Leitblech (8) senkrecht auf das erste Leitblech (7) in die Bohrung (4) eingesetzt ist.
10. Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein weiteres, drittes Leitblech in die Bohrung (4) vor das
Ultraschallfenster (6) und senkrecht zum Ultraschallfenster (6) des Ultraschallwandlers (5) eingesetzt ist.
1 1. Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrungslängsachse in einer ersten Ebene parallel zur zweiten Ebene der Messrohrlängsachse liegt, mit einem Abstand zueinander von mindestens 10% des Durchmessers des Messrohrs (2).
12. Verwendung eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass Öl oder ein Medium mit einer dynamischen Viskosität größer 5 kg/(m*s) durch das Messrohr (2) fließt.
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