WO1995011426A1 - Ultraschalldurchflussmesser - Google Patents

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WO1995011426A1
WO1995011426A1 PCT/EP1994/003372 EP9403372W WO9511426A1 WO 1995011426 A1 WO1995011426 A1 WO 1995011426A1 EP 9403372 W EP9403372 W EP 9403372W WO 9511426 A1 WO9511426 A1 WO 9511426A1
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WO
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ultrasonic
flow
measuring
flow meter
quality
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PCT/EP1994/003372
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hartmut Gemmeke
Klaus Schlote-Holubek
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • 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 an ultrasonic flow meter according to the preamble of claim 1.
  • Vane meters are widely used in flow measurement technology, particularly when determining very small quantities. Your advantage lies in the compact design and simple construction.
  • the devices are inexpensive to manufacture and, thanks to the low electronic complexity, are able to work independently of the network.
  • the impeller rotation is usually scanned inductively, capacitively or with ultrasound.
  • a disadvantage of these devices is the contamination of the impeller bearings.
  • the magnetic-inductive process requires an electrically conductive liquid. These devices are expensive because of their relatively complex structure. Battery operation is possible due to the generation of the necessary strong magnetic alternating field kav.
  • Vortex meters require an undisturbed turbulent flow with long inlet sections. They are only suitable for measuring purposes when there are high flow velocities. Coriolis mass flow measuring systems are usually very maneuverable and therefore expensive. External vibrations can have a sensitive effect on the function of the device.
  • the non-resonant ultrasound procedures have the following parts.
  • the lower measuring limit (sensitivity, resolving power) is essentially determined by the length of the measuring section in the direction of flow. Adequate accuracy therefore requires long measuring distances in the pulse method. Other continuously measuring ultrasonic methods, which evaluate phase or frequency differences, also require a long measuring distance (because of the low quality of the measuring cell).
  • a complex construction of the measuring tube is necessary, e.g. B. by special reflectors which are attached in the measuring tube to deflect the ultrasonic wave in the desired manner.
  • the necessary thermal stability of the measuring cell with regard to the acquisition of measured values requires a great deal of effort in the structural design.
  • the object of the invention is to design an ultrasonic flow meter so that even small volume flows with a small measuring volume can be detected precisely.
  • the resonance technology with high quality of the measuring cell enables significantly shorter measuring distances while simultaneously increasing the sensitivity and the resolution of the measuring system, smaller dimensions of the measuring cell overall, multiple reflections are not necessary,
  • the measuring cell is cheaper to manufacture.
  • FIG. 1 shows a schematic ultrasonic transducer.
  • Figures 2 and 3 show two flow measuring arrangements.
  • FIGS. 4 and 5 show spectra of a resonator and
  • FIGS. 6 and 7 block diagrams of the electronic signal processing for two ultrasonic flow meters.
  • FIGS. 8 to 11 show schematic embodiments in which the ultrasound transducers are embedded in materials with low sound resistance and in which the flow channel tapers towards the center.
  • FIG. 1 schematically shows a modified ultrasonic transducer 1.
  • the structure differs from known designs in that an additional damping layer 4 with special acoustic properties is applied to the front of the piezo oscillator 2.
  • a transition layer 3 ensures the acoustic adaptation of the piezo and the damping layer.
  • the piezo oscillators 2 are damped by a damping body 5 on the rear in order to achieve a larger bandwidth of the oscillator. This is known for so-called pulse converters in ultrasonic material testing.
  • FIG. 2 The basic structure of an ultrasound flow meter is shown in FIG. 2.
  • Two ultrasound transducers 2 are arranged with parallel front sides in such a way that a resonance chamber 8 is created between them, through which the liquid medium flows, the resonance chamber 8 being a part of the flow mungskanal 7 forms.
  • the resonator length should not be greater than 40 wavelengths of the ultrasound used for the measurement. With resonator lengths of ⁇ 20 wavelength units, together with resonator qualities between 20 and 200, optimal results can be achieved.
  • 3 shows the basic structure of a further ultrasonic flow meter.
  • Two further ultrasound transducers 1 are arranged with mutually parallel front sides in such a way that a resonance space 8 that is as identical as possible is created between them as in the two other ultrasound transducers, the amounts of the angles between the flow direction and each of the resonator axes being the same.
  • the ultrasound transducers transmitters
  • superimpositions of the returning and returning sound wave occur in the fluid ("medium”). They are largely independent of the characteristics of the sound source and are essentially determined by the geometry of the resonator and the sound characteristics of the medium (density, speed of sound).
  • the acoustic signals are detected on the opposite ultrasound transducer (receiver).
  • the material and the thickness of the damping layer have a decisive influence on the characteristics of the resonance curves (damping, bandwidth, coupling, etc.); they can be adapted to the respective requirements of the measuring task.
  • the ratio of the sound width: levels of damping layer [Z (s)] and flowing medium [Z (w)] is important.
  • the sensitivity and the resolving power of the measuring arrangement are determined by the quality of the resonator: sharp resonances are sensitive to minor detuning.
  • materials such as glass, aluminum or Ke- ceramic for the damping layer.
  • Stainless steel, copper, aluminum oxide, platinum or tungsten are preferably used for medium to high grades (100-1000).
  • Stainless steel is particularly suitable for the implementation of the damping layer, since grades of 200-400, with water as the fluid, can be achieved.
  • the thickness of the damping layer and the transition layer must be selected to be less than 1/8, since otherwise undesired resonances are generated in these layers.
  • 1 means the ultrasonic wavelength.
  • the acoustic impedance of the transition layer 3 lies between that of the measuring medium and that of the damping layer 4.
  • the transition layer consists of epoxy resin.
  • the layer thickness is 100 ⁇ m.
  • the damping layer 4 consists of copper.
  • the layer thickness is 80 ⁇ m.
  • FIG. 5 A section of the spectrum from FIG. 4 is shown enlarged in FIG. 5.
  • the distance between two resonances shown here becomes smaller the longer the resonator length.
  • the carry-along effect is used in the ultrasonic transit time method, i. H. , the running time of the sound wave is changed by the flowing medium.
  • a distinction is essentially made between two operating modes, pulse operation or continuous operation.
  • the measuring arrangement is operated with a sinusoidal signal and adjusted to a resonance frequency.
  • the change in the transit time of the ultrasound signal caused by the change in the flow velocity of the medium causes a detuning of the resonator, which is to be measured at the receiver as a phase shift (phase measurement).
  • the frequency shift is a measure of the flow velocity.
  • the present method for determining the flow rate uses the frequency shifts of a fixed measuring section (path length control loop, la bda locked loop, LLL) resulting from the entrainment effect.
  • each is regulated to a frequency at which resonance occurs, that is to say a whole multiple of the sound wave length 1/2 between the transmitter and receiver.
  • the difference between the resonance frequencies f ⁇ and f 2 of the shaft with the speed components in or against the flow direction is either determined by switching the transmission direction or generated directly in two-track operation.
  • the flow velocity v can then be calculated according to equation 1 and the desired volume flow V according to equation 2.
  • V A * v * K Eq. (2)
  • A pipe cross-sectional area
  • K calibration factor
  • the frequency shift of the resonance curve is evaluated using the LLL method.
  • PLL phase locked loop
  • FIG. 6 shows the block diagram of the electronic signal processing for one-way operation with two sensors (US1, US2).
  • the switches Sl and S2 switch the transmission direction.
  • the receiver signal is amplified and fed to a PLL.
  • the PLL has the task of regulating a frequency at which resonance occurs. After half the measuring time, the sensors are switched.
  • the respective frequency measurement is carried out with a counter module, so that after a measurement period at the counter output the difference frequency f - fi is available as a digital word.
  • FIG. 7 shows the signal processing for two-line operation.
  • the structure of the electronics essentially differs from the above-mentioned embodiment in that the switchover is omitted and each sensor pair is followed by a complete signal processing.
  • the frequencies generated by PLL1 and PLL2 are processed simultaneously using mixer M.
  • the desired differential frequency f 2 -fi is available at the mixer output for further processing and evaluation.
  • Fig. 8 shows a flow meter in which the housing of the flow sensor consists of embedding material 9 with low sound resistance (less than 5 * 10 6 kg / m 2 * s) and good damping properties.
  • the flow channel 7 narrows conically from both sides towards the center. Due to the narrowed cross section, it is possible to increase the flow velocity and thus the measuring effect. If the inlet and outlet sections are dimensioned correctly, the Flow rate increased several times, the pressure drop across the arrangement can be kept small.
  • FIG. 9 shows the same arrangement as FIG. 8, but the embedding material 9 is surrounded by a metal tube 13. This provides better stability.
  • the lining of the resonance chamber 8 with the embedding material 9 serves to acoustically dampen disturbing sound waves which arise in the metallic housing.
  • Materials whose sound resistance is between 1.5 and 5 * 10 6 kg / m 2 s and have good damping properties can be used as the material.
  • hard and soft rubber, polyurethane and various plastics are suitable.
  • the ultrasonic transducers 1 are surrounded by embedding material 9.
  • the rest of the tube can also be made of metal or another material with high sound resistance.
  • the dead spaces 12 between ultrasonic transducers 1 and flow channel 7 are closed off from the flow channel 7 with a film 11.
  • the dead spaces 12 are filled with liquid. You can also be connected to the flow channel via compensation channels 11.
  • the sound resistance of the film 11 should be as close as possible to that of the medium.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschalldurchflußmesser bestehend aus mindestens zwei Ultraschallwandlern, welche einander gegenüberliegend schräg zur Durchflußrichtung des Mediums angeordnet sind und einem Meßraum. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschalldurchflußmesser so auszugestalten, daß auch kleine Volumenströme bei einem kleinen Meßvolumen genau erfaßt werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Güte jedes Ultraschallwandlers kleiner gleich (10) ist, jeder der Ultraschallwandler eine Dämpfungsschicht aufweist, deren Schallwiderstand 5 bis 120 mal größer ist als der der Probenflüssigkeit und der Meßraum zwischen jeweils zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern, ein akustischer Resonanzraum ist, dessen Güte zwischen 20 und 200 liegt.

Description

Ultraschalldurchflußmesser
Die Erfindung betrifft einen Ultraschalldurchflußmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Bereich der Durchflußmeßtechnik gibt es eine Vielzahl von Geräten, die nach unterschiedlichsten Verfahren und Methoden arbeiten, z.B. klassische Durchflußmeßsysteme (Staudruck, Blende usw.), Flügelrad-Durchflußmeßsysteme, magnetisch-induk¬ tive Durchflußmeßsysteme, Wirbelzähler, Coriolis-Massendurch- flußmesser und Ultraschall-Durchflußmeßsysteme.
Die Nachteile der klassischen Durchflußmeßsysteme, wie z. B. das Blendenverfahren, sind in erster Linie der geringe Dyna¬ mikbereich (10 : 1) , sowie geringe Standzeiten infolge von Verschmutzung und Verschleiß. Von Nachteil sind oft die Druckverluste, die über der Meßeinrichtung entstehen.
Flügelradzähler sind in der Durchflußmeßtechnik weit verbrei¬ tet, insbesondere bei der Bestimmung von Kleinstmengen. Ihr Vorteil liegt in der kompakten Bauweise und einfachem Aufbau. Die Geräte sind kostengünstig zu fertigen und durch den gerin¬ gen elektronischen Aufwand in der Lage, netzunabhängig zu ar¬ beiten. Die Flügelraddrehung wird in der Regel induktiv, kapa¬ zitiv oder mit Ultraschall abgetastet. Ein Nachteil dieser Ge¬ räte ist die Verschmutzung der Flügelradlager.
Das magnetisch-induktive Verfahren benötigt eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Diese Geräte sind wegen ihres relativ aufwendigen Aufbaus teuer. Ein Batteriebetrieb ist wegen der Erzeugung des notwendigen starken magnetischen Wechselfeldes kav möglich.
Wirbelzähler fordern eine ungestörte turbulente Strömung mit langen Einlaufstrecken. Sie eignen sich für Meßzwecke nur, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Coriolis-Massendurchflußmeßsysteme sind in der Regel sehr au wendig und damit teuer. Externe Schwingungen können die Gerä tefunktion empfindlich beeinflussen.
Einen großen Bereich der Durchflußmeßtechnik decken heute nichtresonante Ultraschall-Verfahren ab.
Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind z. B. aus Gätke, J. : Akustische Strömungs- und Durchflußmessung. Akademie- Ve lag, Berlin 1991, S. 67 - 70 bekannt.
Die Vorteile sind:
- es gibt keine bewegten Teile und damit kein Verschleiß
- die Verschmutzungsprobleme sind gering ein großer Dynamikbereich von 100 : 1 bis 300 : 1 ist mög lich eine geringe Beeinflussung des Strömungsverhaltens.
Die nichtresonanten Ultraschall-Verfahren haben folgende Nac teile.
Die untere Meßgrenze (Empfindlichkeit, Auflösungsvermögen) wird wesentlich durch die Länge der Meßstrecke in Strömungs¬ richtung bestimmt. Ausreichende Genauigkeit erfordert daher lange Meßstrecken beim Impulsverfahren. Andere kontinuierli messende Ultraschallverfahren, welche Phasen- oder Frequenz- differenzen auswerten, benötigen (wegen der geringen Güte d Meßzelle) ebenfalls eine lange Meßstrecke.
Im allgemeinen ist eine aufwendige Konstruktion des Meßrohr notwendig, z. B. durch spezielle Reflektoren die im Meßrohr angebracht sind um die Ultraschallwelle in gewünschter Weis umzulenken. Die notwendige thermische Stabilität der Meßzelle hinsichtlich der Meßwertgewinnung erfordert einen hohen Aufwand bei der konstruktiven Gestaltung.
Lange Meßstrecken bedingen lange Einbaumaße oder zusätzliche Rohrkrümmungen mit Strömungsumlenkung.
Grundsätzlich stören Inhomogenitäten (z.B. Luft) im Strömungs¬ mittel (ausgenommen das Dopplerverfahren:hier sind sie notwen¬ dig) .
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschalldurchflußmesser so auszugestalten, daß auch kleine Volumenströme mit einem kleinen Meßvolumen genau erfaßt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa¬ tentanspruchs 1 gelöst.
Die übrigen Patentanspruch-: beschreiben vorteilhafte Ausge¬ staltungen der Erfindung.
Mit der Erfindung sind folgende besondere Vorteile zu erzie¬ len:
- die Resonanztechnik mit hoher Güte der Meßzelle ermöglicht wesentlich kürzere Meßstrecken bei gleichzeitiger Steigerun der Empfindlichkeit und des Auflösungsvermögens des Me߬ systems insgesamt kleinere Abmessungen der Meßzelle, Mehrfachre¬ flexionen sind nicht notwendig,
- die einfache und kurze Meßzellenkonstruktion läßt sich leichter thermisch stabilisieren, die gerade Streckenführung stört die Strömung weniger,
- die Meßzelle ist kostengünstiger herstellbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbei- spiele mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Die Figur 1 zeigt einen schematischen Ultraschallwandler. Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei Durchflußmeßanordnungen. Die Figu¬ ren 4 und 5 zeigen Spektren eines Resonators und die Figuren 6 und 7 Blockschaltbilder der elektronischen Signalaufbereitung für zwei Ultraschalldurchflußmesser. Die Figuren 8 bis 11 zei¬ gen schematische Ausführungsformen, bei denen die Ultraschall¬ wandler in Materialien mit geringem Schallwiderstand eingebet¬ tet sind, und bei denen sich der Strömungskanal zur mitte hin verjüngt.
Um akustische Resonanzen im Fluid erzeugen zu können, ist es notwendig, die Ultraschall-Wandler zu modifizieren.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen modifizierten Ultraschall¬ wandler 1. Der Aufbau unterscheidet sich von bekannten Ausfüh¬ rungen dadurch, daß auf der Frontseite des Piezoschwingers 2 eine zusätzliche Dämpfungsschicht 4 mit besonderen akustischen Eigenschaften aufgebracht wird. Eine Übergangsschicht 3 ge¬ währleistet die akustische Anpassung von Piezo und Dämp¬ fungsschicht. Außerdem werden die Piezoschwinger 2 durch einen Dämpfungskörper 5 auf der Rückseite bedämpft, um eine größere Bandbreite des Schwingers zu erzielen. Dies ist für sogenannte Impulswandler in der Ultraschall-Werkstoffprüfung bekannt.
Den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschalldurchflußmessers zeigt Fig. 2. Zwei Ultraschall-Wandler 2 sind mit parallelen Frontseiten so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein Resonanzraum 8 entsteht, der von dem flüssigen Medium durch¬ strömt wird, wobei der Resonanzraum 8 einen Teil des Strö¬ mungskanals 7 bildet. Die Resonatorlänge sollte nicht größer sein als 40 Wellenlängen des zur Messung verwendeten Ultra¬ schalls. Mit Resonatorlängen von < 20 Wellenlängeneinheiten lassen sich zusammen mit Resonatorgüten zwischen 20 und 200 optimale Ergebnisse erzielen. Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines weiteren Ul¬ traschalldurchflußmessers. Zwei weitere Ultraschall-Wandler 1 sind mit parallelen Frontseiten so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein möglichst gleicher Resonanzraum 8 entsteht wie bei den beiden anderen Ultraschall-Wandlern, wobei die Be¬ träge der Winkel zwischen der Strömungsrichtung und jeder der Resonatorachsen gleich sind.
Wird einer der Ultraschall-Wandler (Sender) monofrequent ange¬ regt, entstehen im Strömungsmittel ("Medium") Überlagerungen von hin- und rücklaufender Schallwelle. Sie sind weitgehend unabhängig von der Charakteristik der Schallquelle und werden im wesentlichen durch die Geometrie des Resonators und die Schallkenngrößen des Mediums (Dichte, Schallgeschwindigkeit) bestimmt. Am gegenüberliegenden Ultraschall-Wandler (Empfän¬ ger) werden die akustischen Signale nachgewiesen.
Das Material und die Dicke der Dämpfungsschicht haben einen entscheidenden Einfluß auf die Charakteristik der Resonanzkur¬ ven (Dämpfung, Bandbreite, Kopplung usw.); sie können an die jeweilige Anforderung der Meßaufgabe angepaßt werden.
Für die akustische Ankopplung an das Meßmedium ist das Ver¬ hältnis der Schallwide: stände von Dämpfungsschicht [Z(s)] und strömenden Medium [Z(w)] von Bedeutung. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Meßanordnung werden durch die Güte des Resonators bestimmt: scharfe Resonanzen reagieren empfindlich auf geringe Verstimmungen. Umgekehrt kann bei gleicher Empfindlichkeit mit einer Resonanzanordnung hoher Güte die Länge der Meßstrecke entsprechend verkürzt werden. Beispielsweise können beim Übergang der Schallwelle von Stahl in Wasser mit den Schallwiderständen [Z(s) = 45«106 kg/m2 s] und [Z(w) = 1,5-106 kg/m2 s] Bandbreiten von 2 - 4 KHz erzielt werden.
Beispielsweise für Anwendungen, bei denen geringe Güte erfor¬ derlich sind, kommen Materialien wie Glas, Aluminium oder Ke- ramik für die Dämpfungsschicht zum Einsatz. Für mittlere bis hohe Güten (100 - 1000) wird bevorzugt Edelstahl, Kupfer, Alu¬ miniumoxid, Platin oder Wolfram eingesetzt. Insbesondere eignet sich Edelstahl für die Ausführung der Dämpfungsschicht, da Güten von 200 - 400, mit Wasser als Strömungsmittel, er¬ reicht werden können.
Die Dicke der Dämpfungsschicht und der Übergangsschicht muß kleiner 1/8 gewählt werden, da ansonsten unerwünschte Resonan¬ zen in diesen Schichten erzeugt werden. 1 bedeutet dabei die Ultraschall-Wellenlänge. Die akustische Impedanz der Über¬ gangsschicht 3 liegt zwischen der des Meßmediums und der der Dämpfungsschicht 4.
Um den Durchstimmbereich des akustischen Resonators auf den Meßzweck anzupassen, ist es erforderlich die Piezokeramik auf der Rückseite zu bedampfen. Durch eine entsprechende Dimen¬ sionierung des Dämpfungskörpers (Material, Dicke) ist es mög¬ lich die Bandbreite der Ultraschall-Wandler in gewünschter Weise zu optimieren.
Fig. 4 zeigt das Spektrum eines Resonators im Frequenzbereich von 100 KHz bis 2 MHz. Dabei besteht die Übergangsschicht aus Epoxidharz. Die Schichtdicke beträgt 100 μm. Die Dämpfungs¬ schicht 4 besteht aus Kupfer. Die Schichtdicke beträgt 80 μm.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt des Spektrums aus Fig 4 ver¬ größert dargestellt.
Der Abstand zweier hier dargestellter Resonanzen, wird umso kleiner, je größer die Resonatorlänge wird.
Eindeutige Meßbedingungen ergeben sich daher nur, wenn der Ab¬ stand zweier aufeinanderfolgender Resonanzen doppelt so groß ist, wie die FrequenzVerschiebung, welche durch den Meßeffekt bewirkt wird. Die Resonatorlänge sollte daher im Hinblick auf die zu er¬ wartende Frequenzverschiebung optimiert werden.
Bei den Ultraschall-Laufzeitverfahren wird der Mitführeffekt ausgenutzt, d. h. , durch das strömende Medium wird die Lauf¬ zeit der Schallwelle verändert. Es wird im wesentlichen zwi¬ schen zwei Betriebsarten, Impulsbetrieb oder kontinuierlicher Betrieb, unterschieden.
Bei kontinuierlichem Betrieb läßt sich eine deutliche Verbes¬ serung des Auflösungsvermögens dadurch erreichen, daß die üb¬ licherweise eingesetzten Meßzellen niedriger Güte durch Me߬ zellen hoher Güte ersetzt werden. Bei gleicher Phasenempfind¬ lichkeit der Elektronik wird die relative Phasenänderung dj/dv durch die hohe Güte der Meßzelle vergrößert (akustische Reso¬ nanz) . Bei entsprechend hoher Güte läßt sich für konstante Empfindlichkeit des Gesamtsystems die Länge der Meßstrecke re¬ duzieren.
Die Meßanordnung wird mit einem sinusförmigen Signal betrieben und auf eine Resonanzfrequenz abgeglichen. Die durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums verursachte Lauf¬ zeitänderung des Ultraschallsignals bewirkt eine Verstimmung des Resonators, die am Empfänger als Phasenverschiebung (Pha¬ senmessung) zu messen ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Sendefrequenz, durch ausregeln der Phasendifferenz, auf die neue Resonanzfre¬ quenz einzustellen (j = 0°, Frequenzmessung). Dabei ist j der Phasenwinkel. Die FrequenzVerschiebung ist in diesem Fall ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
Bei den zuvor beschriebenen Methoden wird vorausgesetzt, daß die Schallgeschwindigkeit des Fluids sich nicht nennenswert ändert. Um Temperatur- und Druckeinflüsse eliminieren zu kön¬ nen, wird eine Differenzmessung durchgeführt. Aus der Literatur sind Methoden bekannt, die mit dem Prinzip der Differenzbildung arbeiten, beispielsweise das Phasendif¬ ferenz- oder Frequenzdifferenzverfahren. Dazu werden entweder zwei Sensoren abwechselnd als Sender bzw. Empfänger betrieben (Fig. 2) , oder es werden zwei Anordnungen gegenläufig benutzt (Fig. 3) . Letzteres hat den Vorteil, daß dann Phasen bzw. Fre¬ quenzen in beiden Richtungen gleichzeitig bestimmt werden kön¬ nen.
Das vorliegende Verfahren zur Bestimmung der Durchflußge¬ schwindigkeit nutzt die durch den Mitführeffekt entstehenden Frequenzverschiebungen einer festen Meßstrecke (Weglängen- regelschleife, la bda locked loop, LLL) .
Insbesondere wird jeweils auf eine Frequenz geregelt, bei der Resonanz auftritt, also ein ganzes Vielfaches der Schallwel¬ lenlänge 1/2 zwischen Sender und Empfänger. Die Differenz der Resonanzfrequenzen f^ und f2 der Welle mit den Geschwindig¬ keitskomponenten in bzw. gegen die Strömungsrichtung wird ent¬ weder durch Umschalten der Senderichtung ermittelt oder im Zweistreckenbetrieb direkt erzeugt.
Die Strömungsgeschwindigkeit v kann dann nach Gleichung 1 be¬ rechnet werden und nach Gleichung 2 der gesuchte Volumenstrom V.
v = * ( f2 - fi ) Gl. (1)
2 * cos b
V = A * v * K Gl. (2)
Dabei bedeuten: b = Sensorwinkel
A = Rohrquerschnittsfläche
K = Kalibrierfaktor Die Frequenzverschiebung der Resonanzkurve wird mit Hilfe des LLL-Verfahrens ausgewertet. Die elektronische Signalaufberei¬ tung muß in der Lage sein, die Phase auszuregeln (j = 0°) , so¬ wie selektiv eine Resonanz zu separieren. Dies wird mit einem Phasenregelkreis (PLL) erreicht, der gleichzeitig als Bandfil¬ ter (Tracking-Filter) benutzt wird.
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild der elektronischen Signalauf¬ bereitung für den Einstreckenbetrieb mit zwei Sensoren (US1, US2) . Die Schalter Sl und S2 schalten die Senderichtung um. Das Empfängersignal wird verstärkt und einer PLL zugeführt. Die PLL hat die Aufgabe, eine Frequenz auszuregeln, bei der Resonanz auftritt. Nach Ablauf der halben Meßzeit werden die Sensoren umgeschaltet. Die jeweilige Frequenzmessung erfolgt mit einem Zählerbaustein, so daß nach Ablauf einer Meßperiode am Zählerausgang die Differenzfrequenz f - fi als digitales Wort zur Verfügung steht.
In Fig. 7 ist die Signalaufbereitung für den Zweistreckenbe¬ trieb dargestellt. Der Aufbau der Elektronik unterscheidet sich im wesentlichen von der oben genannten Ausführung da¬ durch, daß die Umschaltung entfällt und jedem Sensorpaar eine vollständige Signalaufbereitung folgt.
Die von PLLl und PLL2 erzeugten Frequenzen werden gleichzeitig mit Hilfe des Mischers M verarbeitet. Am Mischerausgang steht die gewünschte Differenzfrequenz f2 - fi zur weiteren Aufbe¬ reitung und Auswertung an.
Die Fig. 8 zeigt einen Durchflußmesser bei welchem das Gehäuse des Durchflußsensors aus Einbettungsmaterial 9 mit geringem Schallwiderstand (kleiner als 5 * 106 kg/m2*s ) und guten Dämpfungseigenschaften besteht. Der Strömungskanal 7 verengt sich konusförmig von beiden Seiten zur Mitte hin. Durch den verengten Querschnitt ist es möglich die die Strömungsge¬ schwindigkeit und damit den Messeffekt zu vergrößern. Bei richtiger Dimensionierung der Ein-und Auslaufstrecken wird die Strömungsgeschwindigkeit um ein mehrfaches erhöht, der Druckabfall über der Anordnung kann klein gehalten werden.
Die Fig. 9 zeigt die gleiche Anordnung wie die Fig. 8, das Einbettungsmaterial 9 ist jedoch von einem Metallrohr 13 umge¬ ben. Dadurch wird eine bessere Stabilität erreicht. Die Aus¬ kleidung des Resonanzraumes 8 mit dem Einbettungsmaterial 9 dient der akustischen Bedämpfung störender Schallwellen, die im metallischen Gehäuse entstehen. Als Material können Werk¬ stoffe verwendet werden, deren Schallwiderstand zwischen 1,5 und 5 *106 kg/ m2 s und gute dämpfende Eigenschaften aufwei¬ sen. Zum Beispiel sind Hart- und Weichgummi, Polyurethan und verschiedene Kunststoffe geeignet.
Bei dem Sensor von Fig. 10 sind nur die Ultraschallwandler 1 von Einbettungsmaterial 9 umgeben. Der übrige Teil des Rohres kann auch in Metall oder einem anderen Material mit hohem Schallwiderstand ausgeführt sein.
Bei dem Sensor von Fig. 11 sind die Toträume 12 zwischen Ul¬ traschallwandlern 1 und Stömungskanal 7 gegen den Strömungska¬ nal 7 mit einer Folie 11 abgeschlossen. Die Toträume 12 sind mit Flüssigkeit gefüllt. Sie können auch über Ausgleichskanäle 11 mit dem Strömungskanal verbunden sei. Der Schallwiderstand der Folie 11 sollte möglichst nahe an dem des Mediums sein.
Bezucrszeichenliste:
1 Ultraschallwandler
2 Piezoschwinger
3 Übergangsschicht
4 Dämpfungsschicht
5 Dämpfungskörper
6 Gehäuse
7 Strömungskanal
8 Resonatorraum
9 Einbettungsmaterial
10 Ausgleichskanal
11 Folie
12 Totraum
13 Rohr

Claims

Patentansprüche:
1. Ultraschalldurchflußmesser bestehend aus mindestens zwei Ultraschallwandlern, welche einander gegenüberliegend schräg zur Durchflußrichtung des Mediums angeordnet sind und einem Messraum, welcher von einem Rohr umgeben ist, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß a) die Güte jedes Ultraschallwandlers (1) kleiner gleich 10 ist, b) jeder der Ultraschallwandler (1) eine Dämpfungsschicht (4) aufweist, deren Schallwiderstand 5 bis 120 mal größer ist als der der Probenflüssigkeit und c) der Meßraum zwischen jeweils zwei einander gegenüberlie¬ genden Ultraschallwandlern (1) , ein akustischer Reso¬ nanzraum (8) ist, dessen Güte zwischen 20 und 200 liegt.
2. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Dicke der Dämpfungsschicht (4) höchstens 1/8 der Ultraschallwellenlänge beträgt.
3. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Ultraschallwandler (1) kleiner als 5 ist.
4. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rohr (13) von Ein- und Auslaß zur Mitte hin konisch verengt.
5. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (1) in Material (9) eingebettet sind, dessen Schallwiderstand klei¬ ner als 5 * 106 kg/m2*s ist.
6. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß Toträume (12) vor den Ultra- schallwandlern (1) mit Hilfe von Folien (11) gegen den Strö¬ mungskanal (7) abgeschlossen sind.
PCT/EP1994/003372 1993-10-16 1994-10-13 Ultraschalldurchflussmesser WO1995011426A1 (de)

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