WO1991009281A1

WO1991009281A1 - Ultraschall-durchflussmesser

Info

Publication number: WO1991009281A1
Application number: PCT/EP1990/002179
Authority: WO
Inventors: Winfried Russwurm
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1991-06-27
Also published as: NO922334L; US5351560A; FI922729A0; AU6897891A; ES2054482T3; NO304908B1; ATE106136T1; EP0505402B1; FI100271B; DE3941544A1; DE59005844D1; EP0505402A1; NO922334D0; CA2071876A1; RU2062994C1; JP2944206B2; AU647438B2; JPH05502295A; CA2071876C

Abstract

Ultraschall-Durchflußmesser mit W-förmigem Ultraschallweg im Meßrohr (1) und mit einer stufenartigen Erhöhung/Vertiefung der Rohrinnenwand an der Stelle der Reflexion des parasitären V-förmigen Weges.

Description

Ultraschall-Durchflußmesser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen

Ultraschall-Durchflußmesser wie er im Oberbegriff desAnspruches 1 angegeben ist. Aus dem Stand der Technik bekannt und in den parallelen Patentanmeldungen GR 89 P 2014 DE und GR 89 P 2015 DE vorgeschlagen sind mit Ultraschall arbeitende Durchflußmesser. Der Inhalt der Beschreibungen dieser Anmeldungen ist zusätzlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung.

Die Durchlaufmesser bestehen im wesentlichen aus einem von dem betreffenden Medium durchströmten Rohr, in dessen Rohrinnerem eine akustische Wegstrecke verläuft. Die Beeinflussung des Ultraschalls durch das strömende Medium ist die Meßgröße, aus der z.B. das pro Zeiteinheit durch den Rohrquerschnitt hindurch fließende Volumen an Gas oder Flüssigkeit zu erfassen ist.

Solche Durchflußmesser eignen sich z.B. als Gas-Durchflußmesser wie z.B. als Haushalts-Gaszähler. Die erwähnte akustische Meßstrecke ist zwischen einem

akustischen Sendewandler und einem akustischen Empfangswandler ausgebildet. Sendewandler und Empfangswandler sind in an sich bekannterweise an der Seitenwand des durchströmten Rohres angebracht, und zwar derart, daß vom Sendewandler ein

akustischer Strahl mit einer Komponente parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet in das Rohrinnere gesandt wird. Schräges Einstrahlen des Ultraschalls ist die weitverbreitete Methode, wobei der Ultraschall an der gegenüberliegenden Wand des Rohres reflektiert wird und z.B. mit drei aufeinanderfolgenden

Reflektionen an der Rohrinnenwand einen insgesamt W-förmigen Weg zwischen dem Sendewandler und dem Empfgangswandler

ausführt. Die Auswertung der Beeinflussung des Ultraschalls durch die Strömung erfolgt in der Regel in der Weise, daß die Meßstrecke abwechselnd stromabwärts und stromaufwärts vom Ultraschall durchlaufen wird und der sich aus der Strömungsbeeinflussung ergebende Differenzwert für die beiden Ultraschallmessungen das Auswertesignal ist. Sendewandler und Empfangswandler sind also betriebsmäßig vertauschbar genutzt.

Der erwähnte W-förmige Weg wird gegenüber einem nur V-förmigen Weg deshalb bevorzugt, weil mit vorgegebenem, bezogen auf die Rohrachse, axialem Abstand zwischen Sendewandler und

Empfangswandler Vorteile erzielbar sind. Es kann auch ein

Ultraschallweg mit anstelle von drei Reflexionen mit noch mehr, insbesondere ungradzahlig vielen, Reflexionen vorgesehen sein. Wesentlich dabei ist, daß sich die Ultraschallwandler nicht direkt "sehen" d.h. daß nicht ohne Reflektion Ultraschall vom jeweiligen Sendewandler zum betreffenden Empfangswandler gelangt. Nutzt man in einer z.B. wie in Fig. 1 dargestellten Anordnung, in der mit 4 und 5 die in der Fig. untere und obere Rohrwand und mit 11 und 12 die Wandler bezeichnet sind, den W-förmigen Ultraschallweg 21, so tritt unvermeidlich auch eine

Signalübertragung über den V-förmigen Weg 22 zwischen

Sendewandler und Empfangswandler auf. Dies beruht darauf, daß die Strahlungskeulen des Sendewandler und die Empfangskeule des Empfangswandlers nicht beliebig scharf gerichtet sein können.

In den beiden obengenannten älteren Patentanmeldungen sind Vorschläge zur möglichst weitgehenden Unterdrückung eines parasitären Signals des V-förmigen Weges gegenüber den Nutzsignal des W-förmigen Weges vorgeschlagen. Einmal handelt es sich dabei darum, einen ausgeprägt rechteckigen Rohrquerschnitt zu verwenden, mit einem Verhältnis von Höhe H zu Breite B von größer 2:1 bis 15:1 vorzugsweise 5:1 bis 6:1. Ein solcher Rechteckquerschnitt hat zudem noch den Vorteil homogenisierend auf die Ultraschall-Durchstrahlung des jeweiligen

Strömungsquerschnitts einzuwirken. In der anderen Anmeldung ist für ein Meßrohr mit nicht notwendigerweise rechteckförmigem Querschnitt vorgeschlagen, die Wandler 11 und 12 der Fig. 1 in angepaßt modifizierter Weise in einer "Fehlposition"

anzuordnen. In Fig. 1 sind die Wandler bezüglich ihres axialen Abstandes voneinander und bezüglich der Winkelausrichtung ihrer abstrahlenden oder Flächen 111 und 112 so angeordnet, daß die Endstrecken des W-förmigen Weges nicht mit der jeweiligen

Orthogonalen dieser Flächen 111, 112 zusammenfallen. Die Fehlorientierung besteht darin, den axialen Abstand größer zu bemessen, und/oder die Wandler 11, 12 mit ihren Flächen 111, 112 im Winkel "fehlorientiert", d.h. gekippt, vergleichsweise zur Winkelausrichtung der Wandler der Fig. 1 anzuordnen. Es können auch diese beiden Maßnahmen kombiniert vorgesehen sein. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Maßnahme zur Unterdrückung des Signals des parasitären V-förmigen Weges gegenüber dem Nutzsignal des W-förmigen Weges anzugeben. Insbesondere ist es die Aufgabe, eine möglichst wirksame bis praktisch vollständige Unterdrückung des parasitären Signals zu erreichen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist die axiale Position der Reflektionsorte des W-förmigen Weges, und zwar der Reflektionen an der den Wandlern gegenüberliegenden Rohrwand verschieden vom entsprechenden Reflexionsort des V-förmigen Weges.

Man hat bereits den Versuch gemacht, am Ort der Reflexion des V-förmigen Weges an der Rohrinnenwand schalldämmende Einbauten vorzusehen, wie z.B. einen Filzbelag. Eine derartige Maßnahme hat sich aber als für die Strömung nachteilig erwiesen und ließ auch die notwendige Lebensdauer vermissen. Auch war die erreichbare Signalschwächung nur mäßig. Strukturierung der Innenwand des Rohres, nämlich zur Vermeidung gerichteter

Reflexion führt auch zu keinem brauchbaren Ergebnis. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mit Hilfe der Interferenz eine weitgehend totale Auslöschung des akustischen Signals des V-förmigen Weges zu erreichen. Es wird erfindungsgemäß an der betreffenden Stelle der Reflektion des V-förmigen Weges ein Einbau im Rohrinneren an der Rohrwand vorgenommen, der die für die Reflexion in Frage kommende Fläche der Rohrinnenwand in wenigstens zwei und vorzugsweise zwei Anteile bzw. Hälften aufteilt. Vorzugsweise bildet die ursprüngliche Rohrinnenwand die eine Hälfte und die andere Hälfte ist die um das Maß D erhöhte Fläche eines Versatzes der Rohrinnenwand. Es kann auch eine entsprechende Vertiefung vorgesehen sein, die aber aufwendiger darzustellen ist. Die Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen

Beispiele einer solchen Aufteilung, und zwar die Fig. 2a bis 5a in Draufsicht auf die Innenwand an der Stelle der Reflexion des V-förmigen weges und die Fig. 2b bis 5b die zugehörigen Schnitte a und a'. Aus diesen Darstellungen ist. die Bedeutung der Abmessung D zu erkennen, ohne daß dies weiterer

Erläuterungen bedarf. In die Fig. 2 bis 5 ist ein Teilstück des V-förmigen Weges 22 eingezeichnet. Für die Flächenanteile X und Y ergeben sich nach Reflexion zwei parallele Ultraschallwege 22a und 22b. Die Dicke wird abhängig vom Winkel Beta (= b) so bemessen, daß diese beiden Wege 22a und 22b in auslöschender Interferenz miteinander sind. Vorzugsweise wird die Interferenz der ersten Ordnung benutzt.

Der Anteil X und/oder Y kann an sich noch einmal flächenmäßig aufgeteilt sein, wie dies z.B. die Fig. 3 und 5 zeigen. Man kann damit ein noch höheres Maß an zuverlässiger Auslöschung erreichen. Auf jeden Fall gilt die Regel, daß die an dem Flächenanteil X reflektierte Intensität gleich der am Flächenanteil Y reflektierten Intensität sein muß, wobei zu berücksichtigen ist, daß innerhalb der gesamten Reflexionsfläche eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung herrscht. Bei Schallwellenlängen von Lambda ungefähr gleich 2 mm, das entspricht einer Frequenz von 170 Khz in Luft kommt man zu einer Stufenhöhe Dk kleiner / gleich 1 mm bei üblichen Abmessungen für den Winkel Beta. Für die Strömung ist ein derart bemessener Einbau im Rohrinneren unbedeutend und führt zu höchstens geringfügiger Strömungsstörung. Der Bemessung ist die nachfolgende Erläuterung "Interferenz von Schallwellen" zugrunde zu legen.

2. Interferenz von Schallwellen

Es gilt

c = f · λ (3) mit c als Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Medium, f ais der Wandierfrequenz und λ als der Wellenlange im Medium.

Zwei Schallwellen gleicher Ausbreitungsrichtung, Frequenz und Amplitude loschen sich aus, wenn sie einen Gangunterschied von k=0,1,2,.... (4)

besitzen. Bei senkrechtem Einfall wird dieser Gangunterschied δ für den Abstand kk==0.1,2,.... (5)

der beiden Reflexionsebenen erzielt, also bei k=0 für d=λ/4.

Unter Berücksichtigung des im "W"-Meßrohr auftretenden Einfallswinkels β des "V"-

Signals errechnet sich die zur Ausloschung erforderliche Hohe d aus k=0,1,2,.... (6)

bzw. laßt sich unter Berücksichtigung der verscnιedenen Medien darstellen als k=0,1,2,.... (7)

Diese interferenzerscheinung wird zur Unterdrückung des "V"-Signals benutzt. Dazu kann die Ausbreitungsrichtung für alle beteiligten Schallwellen als nahezu konstant angesehen werden. Zur Vereinfachung wurde in dieser Betrachtung nur die Mittenfrequenz der Wandlerresonanz berücksichtigt.

Wegen des großen Impedanzsprunges von Luft zu festen Materialien für Schall ist eine Teilreflexion an der Ober- und Unterseite einer dünnen Schicht nicht möglich (wie beispielweise in der Optik an dünner Schichten). Die Wellenfront wird deshalb nicht etwa an einer einheitlich beschichteten Flache reflektiert, sondern die Reflexionsflache wird in zwei Bereiche gleichen Flacheninhalts unterteilt, von denen eine Flache um den Versatz D gegen die andere versetzt ist (Bild 2) und damit ein Gangunterschied erzeugt wird. Der Phasensprung von λ/2 bei der Reflexion am dichteren Medium tritt hier bei beiden Anteilen auf und braucht deshalb nicht berucksichtigt werden. Der Gangunterschied fuhrtein Richtung zum Empfangswandler zur gegenseitigen Ausloschung der beiden, an den beiden Teilfiachen reflektierten Antelie des "V"-Signals, und damit zu dessen wirκungsvolier Unterdruckung 3. Diskussion der Anwendung im "W"-MeBrohr

Typische Werte fur ein W-Meßrohr sind L_m = 174 mm, n = 7 mm und n = 39 mm sowie α₁= 35°, damit ergibt sidn nach (2) für β = 214º Die Schailgeschw ndigkeit r Luft betragt be Raumtemperatur c = 34C m/s und in Methar c = 44C m/s Fur Wandier mit r = 7 mm wird in der Praxis eine Radialresonanzfrequenz f ≈ 170 kHz festgestellt. Damit ergibt sich nach (7) fur Ausloschung des "V"-Schallweges die möglichen Erhöhungen d_k in Luft D_O = 0.182 mm, d₁ = 0.546 mm, d₂ = 0.912 mm, d₃ = 1.277 mm und in Methan D_O = 0.235 mm, d₁ = 0.708 mm, d₂ = 1.180 mm, d₃ = 1.652 mm. Für eine gute Unterdrückung in beiden Medien, sowie für alle Schallgeschwindigkeiten im Zwischenbereich kann z.B. d ~ 0.2 mm oder d ~ 0.6 mm gewählt werden. Je nach Erfordernissen läßt sich d auch genau an ein bestimmtes Medium anpassen. Die genannten Werte von d bedeuten einen nur geringfügigen Strömungseinbau. Für Ultraschaliwandier mit r = 10.5 mm und f ~ 130 kHz ist β = 23.9°. Damit wird naeh (7) in Luft D₀ = 0.265 mm, D₁ = - 0.796 mm. D₂ = 1-326 mm, und in Methan D₀ = 0.343 mm, D₁ = 1.03 mm, D₂ = 1.716 mm, so- daß für eine gute Unterdruckung in beiden Medien und im Zwischenbereich z.B. D ~ 0.3 mm oder D ~ 0.9 mm gewählt werden sollte.

Meßbeispiel: Bei β = 21.4° und r = 7 mm, also für Wandier mit f ~ 170 kHz ergibt sich die Lange der Auftreffiache zu 39 mm. Mit einer Stufenhohe von d = 0.6 mm bei einer Länge von 15 - 20 mm wurden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt, wie aus Bild2 ersichtlich ist. Dort ist lebiglich das "V"-Signal dargestellt (das "W"-Nutzsignal wurde hier ausgeblendet), das sich durch Verwendung der 3λ/4-Platte (d = 0.6 mm) gemäß Bild 2 um etwa 16 dB abschwachen laßt

4. Mögliche Ausfuhrungsformen der erhöhten Fläche

Neben der in Abb. 2 gezeigten Ausfuhrungsform sind noch weitere Variationen der Flachenaufteilung denkban. In Abb 4a ist nochmals die in Abb. 2 gezeigte Form dargestellt, bei der die Abfolge nicht erhoht/erhoht/nicht erhoht in Stromungsnichtung erfolgt. Abb. 4b zeigt eine dazu komplimentare Anordnung mit einer Abfoige erhoht/ nicht erhöht/erhöht. Ebenso denkbar waren Anordnungen mit einer Abfolge quer zur Stromungsrichtung. Bild 4c zeigt in diesem Sinne eine Anordnung erhoht/nicht erhöht. Bild 4d eine Anordnung erhont/nicht erhoht/erhoht. Eine Abfolge der verschiedenen Flächen quer zur Stromungsrichtung würde weniger Stromungseinbau bedeuten.

Claims

Patentansprüche

1. Ultraschall-Durchflußmesser mit einem gas-/flüssigkeitsdurchströmtem Messrohr (1) und mit Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern (11,12), die für einen "W"-förmigen Ultraschallweg (21) mit im Meßrohr (1) vorgesehenen, mehrfachen

Reflexionen plaziert in einem gegebenen Abstand voneinander an ein und derselben Seitenwand (5) des Meßrohrs (1) angebracht sind,

g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,

daß zur Verminderung/Beseitigung des Störsignals eines bekanntermaßen im Meßrohr (1) auftretenden parasitären "V"-förmigen Ultraschallweges vorgesehen ist

im Rohrinneren an derjenigen Rohrwand (4), die der mit den Wandlern (11,12) versehenen Rohrwand (5) gegenüberliegt und an der eine Reflexion eines V-förmigen Weges auftritt, im

Bereich der Reflexion des V-förmigen Weges eine sich über den halben Anteil dieses Reflexionsbereiches erstreckende

Erhöhung/Vertiefung der Rohrinnenwand mit einer Stufenhöhe (Dk) vorhanden ist (Fig. 2 bis 5),

wobei die Stufenhöhe (Dk) so bemessen ist, daß für Ultraschallstrahlung des "V"-förmigen Weges auslöschende Interferenz zwischen der am genannten halben Anteil (X) reflektierten Strahlung (22 a) einerseits und der am restlichen halben Anteil (Y) dieses Reflexionsbereiches reflektierten Strahlung (22 b) andererseits vorliegt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

daß wenigstens einer der halben Anteile (X,Y) des Reflexionsbereichs für sich in einzelne Flächenanteile (X₁,X₂) aufgeteilt ist (Fig. 3, Fig. 5).