WO1995012110A1 - Vorrichtung zur durchflussmessung - Google Patents

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WO1995012110A1
WO1995012110A1 PCT/DE1994/001190 DE9401190W WO9512110A1 WO 1995012110 A1 WO1995012110 A1 WO 1995012110A1 DE 9401190 W DE9401190 W DE 9401190W WO 9512110 A1 WO9512110 A1 WO 9512110A1
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reflector
flow
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measuring tube
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PCT/DE1994/001190
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Inventor
Thomas Vontz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

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

Definitions

  • the invention relates to a US flow meter according to the preamble of claim 1.
  • FIG. 1 a shows a turbulent flow profile that occurs at high flow speeds. The flow velocity remains approximately the same in large areas of the pipe.
  • the previously known ultrasonic transducers have an almost Gaussian sensitivity distribution.
  • the maximum sensitivity of the ultrasound transducer lies in its center. It decreases sharply towards the edge.
  • the sensitivity is strongly influenced by the properties of the tube wall when irradiation is carried out through the tube wall.
  • the moving medium is sonicated with an ultrasonic transducer in a flow channel, as is described in DE 40 10 148 AI is known in order to determine the flow velocity from the sound propagation time or by means of the double effect, the highest flow velocity occurring in the middle of the flow channel is rated more strongly than the lower flow velocity occurring at the edge of the flow channel, especially in the case of a laminar flow profile.
  • the result of this is that a separate measurement characteristic curve results for each flow profile and for each fluid, which leads to a complex evaluation unit.
  • a further disadvantage of the flow meter described in DE 40 10 148 AI is that the ultrasound signal can not only spread in a W-shape but also on a parasitic V-shaped path due to the measuring tube structure, and therefore additional measures to suppress the resulting signal components are required.
  • Ultrasound transducer and an ultrasound receiving transducer is provided.
  • the radiation and reception surfaces of the ultrasonic transducers are chamfered in such a way that the radiated sound, depending on the embodiment, is reflected at one, two or four reflection points in the measuring tube.
  • the invention has for its object to provide a device which has a higher measurement accuracy and whose measurement signal depends only on the flow and no longer on the type of fluid used and the current flow profile.
  • Figure 1 shows a laminar and a turbulent flow profile in the flow channel cross section and possible flow profiles in the flow channel in a side view.
  • FIG. 2 shows a conventional US flow meter with a sonication of the flow channel parallel to the side wall.
  • FIG. 3 shows the error curve of the US flow meter according to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a US flow meter according to the invention with a spiral transmission through the flow channel.
  • FIG. 5 shows the dimensioning of the flow channel for determining the reflection angle.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a US flow meter according to the invention.
  • FIG. 7 shows the error curve for the US flow meter according to FIG. 4.
  • FIG. 8 shows a reflector of the US flow meter according to FIG. 4.
  • FIG. 9 shows the error curve for the US flow meter according to FIG. 6.
  • FIG. 10 shows a reflector of the US flow meter according to FIG. 6.
  • FIG. 11 and 12 show further exemplary embodiments of US flow meters according to the invention with several US transmit and receive converters or with axially offset US transmit / receive converters.
  • the sound is usually conducted parallel to the flow channel side walls SW from a US converter USW1 serving as a transmitter to a US reception converter USW2 (see FIG. 2).
  • the sound runs on a V-shaped path through the flow channel, the reflector R1 opposite the transmitter USW1 deflecting the ultrasound in the direction of the flow channel corner SD and the second reflector R2 deflecting the ultrasound in the direction of the reception transducer USW2.
  • the directional characteristic of the US converters used results in an increased sensitivity on the connecting lines between the converter centers.
  • a Gaussian distribution of sensitivity from the transducer center to the edge can be assumed to assume a Gaussian distribution of sensitivity from the transducer center to the edge.
  • the rays (the direction of propagation of a wavefront is illustrated in the following in a simplified manner with the direction of propagation of rays) run through the central region of the flow channel with the highest sensitivity and consequently also register the higher velocities with a higher value.
  • the edge areas of the flow channel are traversed by the less sensitive rays, so that the low speeds occurring there are registered with a correspondingly lower value.
  • the relative measurement errors of the US measurement are compared to a reference method, e.g. B. the measurement with a magnetic-inductive flow meter (MID).
  • a reference method e.g. B. the measurement with a magnetic-inductive flow meter (MID).
  • the reflection angles must be calculated.
  • ⁇ for the ceiling and floor reflection, which in the embodiment shown gives the classic V-path of sound propagation, there is a new angle ⁇ for the reflection on the side walls ( ⁇ . Fig. 4c ).
  • the two angles ⁇ and ⁇ are calculated and combined taking into account the following boundary conditions:
  • the path lengths of the individual beams should be of the same length, so that partial beams are not accidentally deleted by interference.
  • the shape of the wavefront is thereby preserved.
  • the V-shaped sound path is characterized in that the sound from the transducer USW1 passes through the reflector R1 to the flow channel ceiling SD, reflects from there in the direction R2 and is diverted from R2 to the ultrasonic transducer USW2 (a ceiling reflection, cf. FIG. 4d).
  • the ultrasound emitted by a transmitter transducer reaches the receiving transducer via the stations — first reflector-flow duct ceiling-flow duct duct floor-flow duct duct ceiling-second reflector (three reflections on the walls of the flow duct).
  • Ow elevation angle with w-shaped sound path
  • otv 0.5 -1 • arctan (
  • ) 0.5 • 1 arctan (l ⁇ v / h)
  • the azimuth angle ⁇ (transverse sound: reflection on the side walls SW) owing to reflector segmentation and orientation. However, only a few are suitable for ensuring the homogeneous distribution of sensitivity. From the distance l ⁇ of the first reflector R1 to the reflection point at the Sidewall SW and the flow channel width b, the azimuth angle ⁇ can be:
  • Both reflectors R1 and R2 and thus also the reflection surfaces RF1 and RF2 are rotated by the azimuth angle ⁇ ( ⁇ . FIG. 4c).
  • the direction of rotation is irrelevant, because symmetrical configurations arise.
  • the distance l can be selected from the following amount:
  • One reflector is rotated by the azimuth angle ⁇ , the other by the azimuth angle - ⁇ .
  • the distance l can then be:
  • the reflectors are each divided into two reflection surfaces. Each of these reflection surfaces has its own orientation + ⁇ or - ⁇ , (see FIG. 6c).
  • the reflection surface RF11 of the first Rl is rotated by the angle - ⁇
  • the reflection surface RF12 of the reflector Rl is rotated by the angle + ⁇ .
  • the reflection surfaces RF21 and RF22 of the second reflector R2 are rotated in the same way.
  • the determination of the azimuth angle ⁇ results, as in exemplary embodiments 1 and 2, from the above equation.
  • Such a combination of the reflectors splits the incident wavefront into two wavefronts which continue in different directions and which recombine in the second reflector R2 after having traveled through an equally long path. The distance can be from the amount
  • the azimuth angle ⁇ is ⁇ o selected such that the er ⁇ te reflector Rl and the second reflector R2 provide a convex combination, ie the er ⁇ te Reflexion ⁇ fl che RFll de ⁇ er ⁇ ten Reflektor ⁇ Rl i ⁇ t - ⁇ to the azimuth angle, the second R e flexion ⁇ flache RF21 de ⁇ er ⁇ ten Reflektor ⁇ Rl i ⁇ t the azimuth angle + ⁇ , the first reflection surface RF12 of the second reflector R2 is rotated by the azimuth angle + ⁇ and the second reflection surface RF22 of the second reflector R2 is rotated by the azimuth angle - ⁇ .
  • the recombination of the wave front in the second reflector R2 takes place here with redistribution of the sensitivity from the center to the edge and vice versa. Although this improves the distribution, signal level losses are to be expected.
  • the distance l ⁇ should increase
  • the azimuth angle ⁇ ⁇ is chosen such that the first reflector R1 and the second reflector R2 give a concave combination, i.e. the first reflection surface RFll of the first reflector Rl is around the azimuth angle + ⁇ , the second reflection surface RF21 of the first reflector Rl is around the azimuth angle - ⁇ , the first reflection surface RF12 of the second reflector R2 is around the azimuth angle + ⁇ and the second reflection surface22 de ⁇ second reflector R2 rotated by the azimuth angle - ⁇ .
  • the distance should not fall below the specified value range, since otherwise the signal quality would suffer due to the high number of reflections.
  • the embodiment 1 shown in FIG. 4 with a V-shaped sound path showed the best results in tests with regard to the linearity and the material independence of the characteristic (cf. FIG. 7).
  • the error with the test medium glycol was less than ⁇ 1.5% in the tested measuring range of 100 - 4000 1 / h.
  • the measurement error was included in the ultrasonic flow meter shown in FIG. 2 with through-sounding parallel to the side wall small rivers at> 18%. For water, the errors are in a band of ⁇ 0.8% (previously 9%), in each case in comparison with a MID flow meter, for which a maximum error of 0.5% can be assumed.
  • the reflector shown in FIG. 8 can be used in particular in a flow meter according to FIG. 4.
  • the reflector is preferably made of brass and has the dimensions given in the table below. This table also contains the dimensions of the flow channel.
  • Width b 22 mm
  • V-way specification IM 0.5 - 1
  • X denotes the horizontal projection of the sloping surface aa and bb the height of the edges.
  • X denotes the horizontal projection of the sloping surface aa and bb the height of the edges.
  • the useful signal level is, however, somewhat lower than in embodiment example 3.
  • the error when testing with glycol (water) was less than ⁇ 2% (1%) in the measuring range from 100 to 4000 1 / h.
  • the reflectors used in the flow meter according to FIG. 6 can be manufactured as follows from the components shown in FIG. 10:
  • Width b 22 mm
  • the measuring device according to the invention is not only suitable for the flow measurement of a wide variety of liquids, but also for the flow measurement of a wide variety of gases and also for the water flow meters in heating-cooling systems, referred to as heat meters.

Abstract

Auf einer Seite des Meßrohres sind zwei Ultraschallwandler angebracht, die alternierend im Sende-/Empfangsbetrieb arbeiten. Auf der den Ultraschallwandler gegenüberliegenden Seite des Meßrohres sind zwei Reflektoren befestigt, deren Geometrie so ausgelegt ist, daß die US-Welle spiralförmig durch das Meßrohr geführt wird. Dadurch wird erreicht, daß die Durchflußmessung unabhängig vom vorherrschenden Strömungsprofil wird.

Description

Vorrichtung zur Durchflußmessung
Die Erfindung betrifft einen US-Durchflußmesser nach dem Ober- begriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Durchflußmessung von bewegten flüssigen oder gasförmi¬ gen Medien (Fluiden) mit Ultraschall besteht das Problem, daß das vom Empfänger (Ultraschallwandler) gelieferte Meßsignal nicht nur vom Durchfluß, sondern auch vom jeweiligen Strömungs¬ profil im Meßrohr und der Art des durchströmenden Fluidε ab¬ hängt. Je nach Strömungsgeschwindigkeit ergeben sich verschie¬ dene Strömungsprofile. Das in Figur la gezeigte laminare Strö¬ mungsprofil in einem Rohr mit viereckigem Querschnitt tritt bei langsamer Strömungsgeschwindigkeit auf.Die im Inneren des Roh¬ res eingezeichneten Linien veranschaulichen Bereiche gleicher Strömungsgeschwindigkeit. Laminare Strömungsprofile können durch eine parabolische Form, vgl. Figurlc, beschrieben werden. Die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten treten in der Rohrmitte auf. Je größer der Durchfluß, also je höher die Strömungsge¬ schwindigkeit ist, desto mehr nähert sich das Strömungsprofil einer Kastenform an. Figur lb zeigt ein turbulentes Strömungs¬ profil, das bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auftritt. In weiten Bereichen des Rohres bleibt die Strömungsgeschwindigkeit in etwa gleich.
Die bisher bekannten Ultraschallwandler haben eine annähernd gaußförmige Empfindlichkeitsverteilung. Die maximale Empfind¬ lichkeit des Ultraschallwandlers liegt in dessen Zentrum. Zum Rand hin nimmt sie stark ab. Zusätzlich wird die Empfindlich¬ keit durch die Rohrwandeigenschaften stark beeinflußt, wenn durch die Rohrwand eingestrahlt wird.
Beschallt man nun mit einem Ultraschallwandler in einem Strö¬ mungskanal das bewegte Medium, wie dies aus der DE 40 10 148 AI bekannt ist, um aus der Schallaufzeit oder mittels des Dopple¬ reffekts die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, so wird, insbesondere bei laminarem Strömungsprofil, die in der Strö¬ mungskanalmitte auftretende höchste Strömungsgeschwindigkeit stärker bewertet als die am Rand des Strömungskanals auftre¬ tende niedrigere Strömungsgeschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß sich für jedes Strömungsprofil und für jedes Fluid eine ei¬ gene Meßkennlinie ergibt, was zu einer aufwendigen Auswerteein¬ heit führt.
Weiterhin ist bei dem in der DE 40 10 148 AI beschriebenen Durchflußmesser von Nachteil, daß das Ultraschallsignal sich aufgrund des Meßrohraufbaus nicht nur w-förmig, sondern auch auf einem parasitären v-förmigen Weg- ausbreiten kann und des- halb zusätzliche Maßnahmen zur Unterdrückung der daraus resul¬ tierenden Signalanteile erforderlich sind.
Aus H. Bernard "Ultraschall-Durchflußmessung", messen + prüfen/automatik, Heft 5, 1983, Seite 258 bis 263 ist ein Durchfluß esser mit einem von einem flüssigen Medium durchströmten Meßrohr bekannt, bei dem Störungen des Strömungsprofils reduziert werden, indem von mehreren Ultraschallwandlern erzeugte Meßstrahlen über den Rohrquerschnitt verteilt werden. Der Aufwand zur Signalaus- wertung steigt mit der Anzahl der verwendeten Ultraschall¬ wandler.
L. C. Linworth beschreibt in "Ultrasonic Measurementε for Process Control" Academic Press, San Diego, 1989, auf den Seiten 288 ff Durchflußmesser, deren Meßrohr mit einem
Ultraschallsendewandler und einem Ultraschallempfangswandler versehen ist. Die Abstrahl- und Empfangsflächen der Ultraschallwandler sind derart abgeschrägt, daß der abge- strahlte Schall je nach Ausführungsform an einer, zwei oder vier Reflexionsstellen im Meßrohr reflektiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine höhere Meßgenauigkeit hat und deren Meßsi- gnal nurmehr vom Durchfluß und nicht mehr von der Art des ver¬ wendeten Fluids und dem vorliegenden Strömungsprofil abhängt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
Figur 1 zeigt ein laminares und ein turbulentes Strömungsprofil im Strömungskanalquerschnitt und mögliche Strömungsprofile im Strömungskanal in der Seitenansicht .
Figur 2 zeigt einen konventionellen US-Durchflußmesser mit sei- tenwandparalleler Durchschallung des Strömungskanalε .
Figur 3 zeigt die Fehlerkurve des US-Durchflußmessers nach Fi- gur 2.
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen US-Durchflußmesser mit spiralförmiger Durchschallung des Strömungskanals .
Figur 5 zeigt die Bemaßung des Strömungskanals für die Bestim¬ mung der Reflexionswinkel .
Figur 6 zeigt ein weiteres Auεführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen US-Durchflußmessers. Figur 7 zeigt die Fehlerkurve für den US-Durchflußmesser nach Figur 4.
Figur 8 zeigt einen Reflektor des US-Durchflußmessers nach Fi¬ gur 4.
Figur 9 zeigt die Fehlerkurve für den US-Durchflußmesser nach Figur 6.
Figur 10 zeigt einen Reflektor des US-Durchflußmessers nach Fi¬ gur 6.
Fig. 11 und 12 zeigen weitere Ausführungsbeispiele erfindungs- gemäßer US-Durchflußmesser mit mehreren US-Sende- und Empfangs¬ wandlern bzw. mit axial versetzten US-Sende-Empfangswandlern.
In Meßanordnungen für Strömungskanäle mit Durchmessern d < 50 mm wird der Schall üblicherweise parallel zu den Strömungskanal Seitenwänden SW von einem als Sender dienenden US-Wandler USW1 zu einem US-Empfangswandler USW2 geführt (s. Fig. 2) . Bei dem dargestellten Durchflußmesser läuft der Schall auf einem V-för¬ migen Weg durch den Strömungskanal, wobei der dem Sender USW1 gegenüberliegende Reflektor Rl den Ultraschall in Richtung Strömungskanalecke SD und der zweite Reflektor R2 den Ultra¬ schall in Richtung des Empfangswandlers USW2 umlenkt. Die Richtcharakteristik der verwendeten US-Wandler bewirkt eine er¬ höhte Sensitivität auf den Verbindungslinien zwischen den Wandlerzentren. Hierbei kann man eine gaußförmige Verteilung der Sensitivität vom Wandlerzentrum zum Rand hin annehmen.
Diese ist in Fig. 2 für einen linienförmigen Ausschnitt aus dem Wandler USW1 durch eine grau-Codierung veranschaulicht (schwarz: = höchste, hellgrau: = geringste Sensitivität) . Wenn sich der Ultraschall nur parallel zu den Seitenwänden SW aus- breitet, laufen die Strahlen (die Ausbreitungsrichtung einer Wellenfront wird im folgenden vereinfachend mit der Ausbrei¬ tungsrichtung von Strahlen veranschaulicht) mit der höchsten Sensitivität durch den mittleren Bereich des Strömungskanalε und registrieren folglich auch die höheren Geεchwindigkeiten mit einer höheren Wertigkeit. Demgegenüber werden die Randbe¬ reiche deε Strö ungεkanals von den weniger senεitiven Strahlen durchlaufen, εo daß man die dort auftretenden niedrigen Ge¬ εchwindigkeiten mit einer entεprechend geringeren Wertigkeit regiεtriert . Darauε reεultieren Fehlerkurven mit einem εehr großen Fehler bei kleinen Geschwindigkeiten (= kleiner Durch¬ fluß) , der für höhere Geschwindigkeiten (= großer Durchfluß) langsam abnimmt. In der in Fig. 3 gezeigten Fehlerkurve sind die relativen Meßfehler der US-Meεεung im Vergleich zu einer Referenzmethode, z. B. der Meεεung mit einem magnetiεch-induk- tiven Durchflußmesser (MID) dargestellt.
Um eine weitgehend homogene Durchschallung, d. h. eine gleich¬ mäßige Sensitivität über den Kanalquerεchnitt zu gewährleiεten, werden Schallwellen hoher Senεitivität, alεo die vom Zentrum deε Wandlerε USW1 auεgehenden Ultraεchallwellen, mit Hilfe ge¬ eignet orientierter Reflektoren R1/R2 durch alle Bereiche des Strömungskanals geführt (s. Fig. 4 und 6) . Dies geεchieht durch die kombinierte und abwechεelnde Nutzung der Reflexion der Schallwellen an den Seitenwänden SW, der Decke SD und dem Boden SB des Strömungskanalε. Anεtatt den Ultraschall ausschließlich parallel zu den Seitenwänden SW von einem ersten zu einem zwei¬ ten Ultraschallwandler zu εenden, alεo lediglich die Decken- und Bodenreflexion zu nutzen, durchläuft der Ultraεchall den Strömungεkanal in dem erfindungsgemäßen Durchflußmeεεer εpiral- för ig. Die damit erreichte Homogeniεierung der Durchεchallung des Strömungεkanalε mit Strahlen unterεchiedlichεter Senεitivi¬ tät wird beεonderε durch Vergleich der Figuren 4b und 6b mit Fig. 2b deutlich. Die im folgenden beschriebenen Ausführungεbeispiele beziehen sich auf einen Strömungskanal der Länge 1 (1: = Abstand der Wandlerzentren) mit quadratiεchem Querschnitt (Breite b, Höhe h) .
Zur Festlegung der Geometrie des Strömungskanals und der Orien¬ tierung der Reflektoren Rl und R2, müsεen die Reflexionεwinkel berechnet werden. Zu dem konventionellen Winkel α für die Dek- ken- und Boden-Reflexion, welcher in dem gezeigten Ausführungε- beiεpiel den klaεεiεchen V-Weg der Schallauεbreitung ergibt, kommt ein neuer Winkel Ψ für die Reflexion an den Seitenwänden hinzu (ε . Fig. 4c) .
Erfindungεgemäß werden die beiden Winkel α und Ψ unter Berück- εichtigung der folgenden Randbedingungen berechnet und kombi¬ niert :
1) Die Weglängen der einzelnen Strahlen εollen gleich lang εein, damit εich Teilεtrahlen nicht ungewollt durch Interfe¬ renz auεlöεchen. Die Form der Wellenfront bleibt dadurch ge¬ wahrt .
2) Für den Winkel α (Boden-Decke-Reflexion) gibt eε bei der in den Ausführungsbeiεpielen gewählten Anordnung von Wandlern und Reflektoren nur zwei mögliche Schallwege: den V-förmigen und den W-förmigen Schallweg (die Vor- bzw. Nachlaufwege senkrecht zur Strömungsrichtung F tragen nicht zum Meßεignal bei und bleiben daher unberückεichtigt) .
Der V-förmige Schallweg iεt dadurch gekennzeichnet, daß der Schall vom Wandler USW1 über den Reflektor Rl zur Strö ungεka- naldecke SD gelangt, von dort in Richtung R2 reflektiert und von R2 zum Ultraεchallwandler USW2 umgelenkt wird (eine Decken¬ reflexion, vgl. Fig. 4d) .
Bei dem nicht dargeεtellten W-förmigen Schallweg gelangt der von einem Sendewandler auεgeεtrahlte Ultraschall über die Sta¬ tionen -erster Reflektor-Strömungskanaldecke-Strömungεkanalbo- den-Strömungεkanaldecke-zweiter Reflektor- zum Empfangswandler (drei Reflexionen an den Wandungen des Strömungskanalε) .
Ohne Querεchall (Ψ = 0) berechnen sich die Elevationswinkel OCy für den V-förmigen Schallweg und α^ für den W-förmigen Schallweg zu:
Otv = 0,5 • 1 • arctan (0,5 • 1/h)
Ot = 0,5 • 1 • arctan (0,25 • 1/h)
ctt = Elevationεwinkel bei v-förmigem Schallweg
Ow = Elevationεwinkel bei w-förmigem Schallweg
Mit Querεchall (Azimutwinkel ψ ≠ 0) ergeben εich die beiden Elevationεwinkel αv und ^ zu:
otv = 0,5 -1 • arctan (|0,5 • 1 / cos(ψ)|) = 0,5 • 1 arctan (lαv/h)
0^ = 0,5 1 • arctan (|0,25 • 1 / cos(ψ)|) = 0,5 • 1 arctan(lαw/h)
Für den Azimutwinkel ψ (Querschall: Reflexion an den Seitenwän- den SW) εind durch Reflektorεegmentierung und Orientierung eine Fülle von Werten möglich. Jedoch εind nur wenige geeignet die homogene Verteilung der Senεitivität zu gewährleisten. Aus dem Abstand lψ deε erεten Reflektorε Rl zum Reflexionεpunkt an der Seitenwand SW und der Strömungεkanalbreite b läßt sich der Azimutwinkel ψ zu:
ψ = ± arctan (b/lψ'
bestimmen (ε. Fig. 5) . Aus dieser Gleichung ergeben sich fol¬ gende Ausführungεbeiεpiele:
1. Ausführungsbeiεpiel :
Beide Reflektoren Rl und R2 und damit auch die Reflexionεfla¬ chen RFl und RF2 werden um den Azimutwinkel ψ gedreht (ε. Fig. 4c) . Die Drehrichtung iεt unerheblich, weil εymmetriεche Kon¬ figurationen entεtehen. Der Abεtand lψ kann auε folgender Menge gewählt werden:
Figure imgf000010_0001
Höhere Ordnungen werden hier vernachlässigt, da ansonεten die Signalqualität wegen der großen Anzahl von Reflexionen leiden würde.
2. Auεführungεbeiεpiel :
Ein Reflektor wird um den Azimutwinkel ψ, der andere um den Azimutwinkel -ψ gedreht. Der Abεtand lψ kann dann zu:
lψ = {i/3 • 1}
gewählt werden
3. Auεführungεbeiεpiel : Die Reflektoren werden in jeweilε zwei Reflexionsflächen unter¬ teilt. Jede dieser Reflexionsflächen erhält eine eigene Aus¬ richtung +ψ bzw. -ψ, (siehe Figur 6c) . Die Reflexionεfl che RFll deε erεten Rl iεt um den Winkel -ψ, die Reflexionεflache RF12 deε Reflektorε Rl iεt um den Winkel +ψ gedreht. Die Refle¬ xionsflächen RF21 und RF22 des zweiten Reflektors R2 εind auf dieεelbe Art und Weise gedreht . Die Bestimmung deε Azimutwin- kelε ψ ergibt εich, wie bei den Ausführungsbeiεpielen 1 und 2, auε obiger Gleichung. Durch eine derartige Kombination der Reflektoren wird die einfallende Wellenfront in zwei in unter¬ schiedlicher Richtung weiterlaufende Wellenfronten aufgespal¬ ten, die εich nach Durchlaufen eineε gleichlangen Wegeε im zweiten Reflektor R2 rekombinieren. Der Abεtand lψ kann auε der Menge
lψ = {1; - 1; ι/3 • 1; Vι • 1; 1/5 1 uεw}
gewählt werden.
4. Auεführungsbeispiel :
Der Azimutwinkel ψ wird εo gewählt, daß der erεte Reflektor Rl und der zweite Reflektor R2 eine konvexe Kombination ergeben, d.h. die erεte Reflexionεfl che RFll deε erεten Reflektorε Rl iεt um den Azimutwinkel -ψ, die zweite Reflexionεflache RF21 deε erεten Reflektorε Rl iεt um den Azimutwinkel +ψ, die erεte Reflexionεfl che RF12 deε zweiten Reflektorε R2 iεt um den Azimutwinkel +ψ und die zweite Reflexionεfl che RF22 deε zwei¬ ten Reflektorε R2 ist um den Azimutwinkel -ψ gedreht. Die Re- kombination der Wellenfront im zweiten Reflektor R2 geschieht hier mit Umverteilung der Sensitivität vom Zentrum zum Rand hin und umgekehrt. Hierdurch wird die Verteilung zwar verbesεert, eε εind jedoch Signalpegelverluεte zu erwarten. Der Abεtand lψ sollte zu
Figure imgf000012_0001
gewählt werden.
5. Auεführungεbeiεpiel
Eε wird der Azimutwinkel Ψ εo gewählt, daß der erεte Reflektor Rl und der zweite Reflektor R2 eine konkave Kombination erge- ben, d.h. die erεte Reflexionεflache RFll deε erεten Reflektorε Rl wird um den Azimutwinkel +ψ, die zweite Reflexionεflache RF21 deε erεten Reflektors Rl wird um den Azimutwinkel -ψ, die erste Reflexionεfl che RF12 deε zweiten Reflektorε R2 wird um den Azimutwinkel +ψ und die zweite Reflexionεflache RF22 deε zweiten Reflektorε R2 um den Azimutwinkel -ψ gedreht . Die
Rekombination der Wellenfront erfolgt hier wie im 4. Auεfüh¬ rungεbeiεpiel. Der Abεtand lψ iεt vorteilhafterweiεe zu
lψ 2/3
zu wählen,
Bei allen genannten Auεführungεbeiεpielen sollte der Abεtand lψ den angegebenen Wertebereich nicht unterschreiten, da ansonεten die Signalqualität aufgrund der hohen Anzahl an Reflexionen leiden würde.
Daε in Figur 4 gezeigte Auεführungεbeiεpiel 1 mit V-förmigem Schallweg zeigte bei Verεuchen die beεten Reεultate bezüglich der Linearität und der Stoffunabhängigkeit der Kennlinie (vgl. hierzu Figur 7) . Der Fehler bei dem Teεtmedium Glykol lag im geteεteten Meßbereich von 100 - 4000 1/h bei weniger alε ± 1,5 %. Bei dem in Figur 2 dargeεtellten Ultraεchalldurchflußmeεεer mit εeitenwandparalleler Durchεchallung lag der Meßfehler bei kleinen Flüεεen bei > 18%. Für Waεεer liegen die Fehler in ei¬ nem Band von < 0,8 % (vorher 9 %) , jeweils im Vergleich mit ei¬ nem MID-Durchflußmeεεer, für den ein maximaler Fehler von 0,5 % angenommen werden kann.
Den in Fig. 8 dargeεtellten Reflektor kann man inεbeεondere in einem Durchflußmeεεer gemäß Fig. 4 verwenden. Der Reflektor iεt vorzugεweiεe aus Messing gefertigt und besitzt die in der fol¬ genden Tabelle angegebene Bemaßung. Diese Tabelle enthält auch die Abmesεungen deε Strömungskanalε.
Tabelle 1
Länge 1 130 mm
Höhe h = 22 mm
Breite b = 22 mm
Reflektor Radiuε r = 14 mm
Reflektor Maß bb = 3.11 mm
Reflektor Maß x 4.27 mm
Linker Drehwinkel ΨL= -ArcTan[b/(0,5- 1)]=-18 .69°
Rechter Drehwinkel ΨR = ΨL = -18.699°
V-Weg Vorgabe IM = 0,5 - 1
Gedrehter V-Weg lα = Abs[ltl/(Coε[ΨL])]
Boden-Decke Anεtellwinkel α= 0,5- 1- ArcTan[lα/h] =36 11°
Seitenwände-Ans ellwinkel φ = 90 -2α = 17.77°
aa=r/ (Coε[α]+Sin (α) /Tan[Pi/2 -2 α] ) x=aa Coε[α] bb=aa Sin[α]
X bezeichnet die horizontale Proj ektion der Schrägfläche aa und bb die Höhe der Ränder . Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeiεpiel 3 ergaben εich ähnlich gute Reεultate bezüglich der Linearität und der Stof¬ funabhängigkeit der Kennlinie (ε. Fig. 9) . Der Nutzεignalpegel liegt allerdings etwas niedriger als bei dem Ausführungεbei- εpiel 3. Der Fehler beim Teεten mit Glykol (Waεεer) lag im Meßbereich von 100 - 4000 1/h bei weniger als ± 2% (1%) .
Die im Durchflußmeεεer gemäß Fig. 6 verwendeten Reflektoren lassen sich auε den in Fig. 10 dargeεtellten Bauteilen wie folgt herεtellen:
Auε je einem Paar deε Teilε B werden einmal die grau markierten Teile und einmal die weißen Teile wie in C und D angegeben paε- εend geεchnitten. Auε je einer Hälfte aus C und D werden ein Teil E bzw. F zusammengeεetzt (zwei graue Teile ergeben einen Teil E und zwei weiße Teile ergeben ein Teil F) . Die Bemaßung und die Winkel εind in Fig. 10 und Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2:
Länge 1 130 mm
Höhe h = 22 mm
Breite b = 22 mm
Reflektor Radiuε r = 14 mm
Reflektor Maß bb = 3.11 mm
Reflektor Maß x 4.27 mm
1.linker Drehwinkel ΨL = -ArcTan[b/(0,5-l)]=-18.69°
1.rechter Drehwinkel ΨR = -ΨL =18.699°
2.linker Drehwinkel ΨL = -ΨL = 18.69°
2.rechter Drehwinkel ΨR = ΨL = -18.699°
V-Weg Vorgabe IM 0,5-1
Gedrehter V-Weg 1(X Abε[ltl/(Coε[ΨL] )]
Boden-Decke Anεtellwinkel α = 0,5-1 ArcTan[lα/h]=36.11° Seitenwände-Anstellwinkel 2. 90 - 2α = 17.77°
Im nachfolgenden sind weitere Variationsmöglichkeiten zum Auf¬ bau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung angegeben: -Alle Kombinationen der axialen und queraxialen Reflexionen -Längenvariation
-Variation deε Verhältniεεeε der Rohrabmeεεungen -Kombination zweier oder mehrerer Meßrohre mit verschiedener
Meßcharakteristik -Verwendung von mehreren Sendern bei größeren Nennweiten -sechεeckiger Querεchnitt
-ovaler oder runder Querschnitt
-Durchmeεεeränderung in axialer Richtung, koniεche Rohre
-Reflektoren auf verschiedenen Wänden
-gedrehte, ebene Reflektoren -gedrehte und in mehrere Reflexionεflachen aufgeteilte Reflek¬ toren -gedrehte und/oder ungedrehte gekrümmte Reflektoren -Sende- u. Empfangεwandler auf einer Seite deε Strömungεkanalε -Sende- und Empfangεwandler gegenüberliegend -Sende- und Empfangswandler axial versetzt (s. Fig. 12)
-mehrere Sende- und Empfangεwandler verteilt auf verεchiedenen Seitenwänden (ε. Fig. 11) .
Die erfindungεgemäße Meßvorrichtung iεt nicht nur für die Durchflußmeεεung verschiedenster Flüsεigkeiten geeignet, son¬ dern auch für die Durchflußmessung verschiedenster Gase und auch für die, als Wärmezähler bezeichneten, Wasεer- Durchflu߬ meεεer in Heiz-Kühlεyεtemen.

Claims

Patentanεprüche
1. Durchflußmeεεer mit einem von einem gasförmigen oder flüssi¬ gen Medium durchströmenden Meßrohr, einem das Medium beschal- lenden US-Wandler (USWl), einem im Meßrohr angeordneten ersten Reflektor (Rl) und einem US-Empfangεwandler (USW2), wobei die einzelnen Komponenten derart zueinander orientiert εind, daß der Ultraεchall zumindeεt eine Reflexion an einer Wandung deε Meßrohrε erfährt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß eine Flächennormale deε erεten Reflektorε (Rl) drei Kompo¬ nenten in einem rechtwinkligen Koordinatenεystem aufweist, des¬ sen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung (F) orientiert is .
2. Durchf lußmeεεer nach Anεpruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen εegmentiert aufgebauten erεten Reflektor (Rl), wobei die Flächennormalen der Reflektorεegmente (RFll, RF12) nicht paral- lel zueinander orientiert εind.
3. Durchf lußmeεεer nach Anεpruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der erste Reflektor (Rl) dem Ultraschallwandler (USWl) im Meßrohr gegenüberliegend angeordnet iεt.
4. Durchf lußmeεεer nach einem der Anεprüche 1 biε 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der US-Wandler (USWl) den Ultraεchall εenkrecht zur Strö- mungεrichtung in daε Meßrohr einεtrahlt.
5. Durchf lußmeεεer nach einem der Anεprüche 1 biε 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen im Meßrohr angeordneten zweiten Reflektor (R2) .
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Flächennormale deε zweiten Reflektorε (R2) drei Kompo¬ nenten in dem rechtwinkligen Koordinatenεyεtem aufweiεt.
7. Durchf lußmesser nach Anspruch 5 oder 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen segmentiert aufgebauten zweiten Reflektor (R2) wobei die Flächennormalen der Reflektorsegmente (RF21, RF22) nicht paral- lel zueinander orientiert sind.
8. Durchf lußmeεser nach einem der Ansprüche 5 biε 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zweite Reflektor (R2) dem US-Empfangεwandler (USW2) im Meßrohr gegenüberliegend angeordnet iεt.
9. Durchf lußmeεεer nach einem der Ansprüche 1 biε 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen ebenen erεten und/oder zweiten Reflektor (Rl, R2) .
10. Durchflußmeεεer nach einem der Anεprüche 1 biε 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Reflektorsegmente (RFll, RF12, RF21, RF22) des erεten und/oder zweiten Reflektors (Rl, R2) ebene Flächen εind.
11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Symmetrieachse des US-Wandlers (USWl) parallel zu ei¬ ner Symmetrieachse des US-Empfangεwandlerε (USW2) orientiert iεt.
12. Durchf lußmeεεer nach einem der Anεprüche 1 biε 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Symmetrieachεe des US-Wandlers (USWl) gegenüber einer Symmetrieachse des US-Empfangswandlers (USW2) geneigt iεt.
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