WO1997045707A1 - Ultrasound flow meter - Google Patents

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WO1997045707A1
WO1997045707A1 PCT/EP1997/002784 EP9702784W WO9745707A1 WO 1997045707 A1 WO1997045707 A1 WO 1997045707A1 EP 9702784 W EP9702784 W EP 9702784W WO 9745707 A1 WO9745707 A1 WO 9745707A1
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flow meter
ultrasonic
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ultrasonic flow
mesh
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PCT/EP1997/002784
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Inventor
Jan Van Bekkum
Vladimir Smychliaev
Original Assignee
Krohne Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2401/00—Indexing codes relating to the type of sensors based on the principle of their operation
    • B60G2401/17—Magnetic/Electromagnetic
    • B60G2401/176—Radio or audio sensitive means, e.g. Ultrasonic

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic flow meter for flowing media, with a measuring tube and with at least two ultrasonic transducers arranged offset in the flow direction, the ultrasonic transducer being installed in contact pockets with the flowing medium in transducer pockets of the measuring tube.
  • ultrasonic flowmeters has become increasingly important in the operational flow measurement of liquids and gases, in summary flowing media.
  • the flow measurement is carried out — as in the case of magnetic-inductive flow meters — “without contact”, ie. H. without disturbing installations in the flow, which always result in turbulence and an increased pressure loss.
  • Ultrasonic flowmeters of the type in question include, on the one hand, a measuring tube which, as a rule, represents the measuring section together with an inlet section and an outlet section, and on the other hand at least two ultrasound transducers which are offset with respect to one another in the flow direction and are also referred to as measuring heads.
  • Ultrasound transducers are to be understood very generally.
  • the ultrasonic transducers include ultrasonic transmitters, ie measuring heads for generating and emitting ultrasonic signals, and secondly ultrasonic receivers, ie measuring heads for receiving ultrasonic signals and for converting the received ultrasonic signals into electrical signals.
  • the ultrasonic transducers also include measuring heads which combine ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, that is to say that they generate and emit ultrasonic signals as well as receive ultrasonic signals
  • ERS ⁇ ZBL ⁇ T (RULE 26) and convert the received ultrasound signals into electrical signals.
  • ultrasonic flow meters on the one hand, in which the ultrasonic transducers do not come into contact with the flowing medium, that is to say are arranged on the measuring tube from the outside, so-called “clamp-on arrangement", and, on the other hand, ultrasonic flow meters which the ultrasonic transducers are in contact with the flowing medium.
  • the invention relates only to those ultrasonic flow meters in which the ultrasonic transducers are in contact with the flowing medium.
  • the ultrasonic transducers are installed in transducer pockets of the measuring tube.
  • Wandlertaschc means a recess or depression, as always realized, outside the flow cross-section of the measuring tube, in which an ultrasonic transducer is installed in such a way that it does not protrude into the flow cross-section of the measuring tube, ie it does not actually influence the flow.
  • the longitudinal axis of the transducer pockets generally runs at an acute angle or at an obtuse angle to the direction of flow of the flowing medium or to Longitudinal axis of the measuring tube (cf. Figure 6.1.1 on page 532 of the literature reference "Sensors, sensors", loc. Cit., Figure 8 on page 18 of VDI / VDE DIRECTIVE 2642 "Ultrasonic flow measurement of liquids in fully flowed pipelines", and 2-2 on page 21 of the reference “Ultrasonic Measurements for Process Control" by Lawrence C. Lynnworth, ACADEMIC PRESS, INC., Edited by Harcourt Brace Jovanovich).
  • the transducer pockets do not leave the flow of the medium flowing in the measuring tube unaffected, rather vortices are generated, with the frequency
  • V velocity of the flowing medium
  • the Strouhal number is about 0.2 and changes little if the Reynolds number is between 2 x 102 and 6 x 105 (see Fig. 2.9 on page 32 of the literature "Boundary-Layer Theory ", loc. cit.).
  • Piezoelectric ultrasound transducers are normally used which have a diameter of 10 to 20 mm, i. H. the size of the recess is between 15 and 40 mm.
  • the frequency of the vortices generated by the transducer pockets is between 2.5 and 133 Hz. If measurements are now to be carried out with an accuracy of 0.1%, then this is the time constant between about 3.8 s and about 200 s. The dynamics of the ultrasonic flow meters in question are therefore poor.
  • the invention is based on the object of thus designing and developing the known ultrasonic flow meters from which the invention is based, that vortices generated by the converter pockets do not have a disadvantageous effect in the manner described.
  • the ultrasonic flow meter according to the invention in which the previously derived and shown object is achieved, is initially and essentially characterized by the fact that the transducer pockets are provided with a mesh on the inlet side. On the input side, this means that the grid is provided where the converter pockets, as seen from the measuring tube, begin.
  • the grids provided according to the invention are only necessary in the respective input area of the converter pockets.
  • the measuring tube as a whole can be provided with a continuous grid on its inside. Then the measuring tube has a uniform roughness overall, whereby the flow profile and thus the measurement result is stabilized.
  • the grids provided according to the invention must of course be ultrasound-permeable. This is ensured if the mesh of the grating has braiding devices F which are smaller than the product of the average depth T of the converter pockets and the wavelength ⁇ of the ultrasound in the flowing medium.
  • the mesh of the grating has braiding devices F which are smaller than the product of the average depth T of the converter pockets and the wavelength ⁇ of the ultrasound in the flowing medium.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a known ultrasonic flow meter from which the invention is based
  • FIG 3 shows a first exemplary embodiment of an ultrasonic
  • Fig. 5 is a graphical representation for explaining what is by the
  • the ultrasonic flow meters shown in FIGS. 1 to 4 are intended for flowing media, in particular for liquids, but also for gas.
  • the speed of the flowing medium can be measured with the aid of the ultrasound flow meter in question.
  • the flow can be determined from the measured speed and the known flow cross section.
  • the basic design of the ultrasonic flow meters shown in FIGS. 1 to 4 consist of a measuring tube 1 and two ultrasonic transducers 2 arranged offset in the flow direction. Only two ultrasonic transducers 2 are provided in the exemplary embodiments shown; the following explanation of the invention is of course also applicable to
  • REPLACEMENT BUTT (RULE 26) Ultrasonic flow meter in which more than two ultrasonic transducers 2 are provided.
  • the ultrasonic transducers 2 are installed in contact with the flowing medium in transducer pockets 3 of the measuring tube 1.
  • the longitudinal axis of the converter pockets 3 extends at an acute angle or at an obtuse angle to the direction of flow or to the longitudinal axis of the measuring tube 1.
  • FIGS. 3 and 4 Ultrasonic flow meters designed according to the invention are shown in FIGS. 3 and 4.
  • the converter pockets 3, namely only the converter pockets 3, are provided on the input side with a mesh 7 having meshes 6.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the ultrasonic flow meter according to the invention, in which the measuring tube 1 is provided on its inside 8 with a continuous grating 7; the measuring tube 1 is consequently provided with a grid 7 as a whole.
  • the grating 7 provided according to the invention must be permeable to ultrasound. This is ensured if the meshes 6 of the grating 7 have braiding devices F which are smaller than the product of the average depth T of the converter pockets and the wavelength ⁇ of the ultrasound in the flowing medium.
  • the meshes 6 of the grid 7 can thus have a circular or an elliptical cross section. Then the diameter of the mesh 6 of the grid 7 is chosen so that it lies between the wavelength ⁇ of the ultrasound in the flowing medium and the doubling of this wavelength.
  • the meshes 6 of the grating 7 can also have a rectangular, in particular a square, or a diamond-shaped cross section. For the dimensioning of the meshes 6 of the grating 7 it then applies that the side lengths of the meshes 6 are equal to or greater than the wavelength ⁇ of the ultrasound in the flowing medium, but are preferably less than twice the wavelength ⁇ .
  • the meshes 6 of the grid 7 can also have a triangular, polygonal or star-shaped cross section. It then applies to the dimensioning of the meshes 6 that the diameter of the circle enclosed by the meshes 6 of the grating 7 is equal to the wavelength ⁇ of the flowing medium or greater than this wavelength, but is preferably less than twice the wavelength ⁇ .
  • FIGS. 4 and 5 A comparison of FIGS. 4 and 5 with FIG. 1 shows that in the ultrasonic flow meter according to the invention the vortices 4 are significantly smaller than the vortices 4 in the ultrasonic flow meter according to FIG. 1 belonging to the prior art the rest, as stated, the frequency of the vortices 4 in the ultrasonic flow meter according to the invention is substantially greater than the frequency of the vortices 1 in the known ultrasound flow meter shown in FIG. 1.
  • the time constant is significantly reduced, for example by a factor of 10
  • the measurement accuracy namely both the linearity and the reproducibility
  • the ratio of the measurement signal to the interference signal is also improved.
  • FIG. 5 shows the dependence of the measurement error on the speed of the flowing medium, on the one hand for the known ultrasonic flow meter shown in FIG. 1 and on the other hand for the flow meter according to the invention shown in FIGS. 3 and 4. It can easily be seen that, in the known flow meter, the measurement error depends strongly on the speed of the flowing medium, and is otherwise relatively large, while in the ultrasonic flow meter according to the invention, an overall extremely small one, on the speed of the flowing one There is hardly any measurement error dependent on the medium.
  • the relatively small vortices 4 which occur in the ultrasonic flow meter according to the invention not only hardly interfere with measurement technology, but also make a positive contribution to the permanent functionality of the ultrasonic flow meter according to the invention, namely to the extent that the vortices 4 lead to the mesh 7 always being cleaned, the meshes 6 of the mesh 7 thus remaining permeable to ultrasound.

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Abstract

The invention relates to an ultrasound flowmeter for flowing media which has a measuring tube (1) and two ultrasound transducers (2) arranged to be offset in relation to each other in the direction of flow and fitted to have contact with the flowing medium in the transducer pockets (3) of the measuring tube (1). The ultrasound flowmeter according to the invention eliminates the disadvantages and problems, originating from turbulence (4) generated by the transducer pockets (3), of known ultrasound flowmeters, in that the entrance to the transducer pockets (3) is provided with a grid (7) having mesh (6).

Description

Ultraschall-Durchflußmesser Ultrasonic flow meter
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien, mit einem Meßrohr und mit mindestens zwei in Strömungsrichtung gegeneinander ver¬ setzt angeordneten Ultraschallwandlern, wobei der Ultraschallwandler mit Kontakt zum strömenden Medium in Wandlertaschen des Meßrohres eingebaut sind.The invention relates to an ultrasonic flow meter for flowing media, with a measuring tube and with at least two ultrasonic transducers arranged offset in the flow direction, the ultrasonic transducer being installed in contact pockets with the flowing medium in transducer pockets of the measuring tube.
Der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmessem hat in zunehmendem Maße bei der be¬ trieblichen Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen, zusammengefaßt strö¬ mende Medien, Bedeutung gewonnen. Die Durchflußmessung erfolgt - wie bei ma¬ gnetisch-induktiven Durchflußmessern - "berührungslos", d. h. ohne störende Ein¬ bauten in der Strömung, die stets Verwirbelungen und einen erhöhten Druckverlust zur Folge haben.The use of ultrasonic flowmeters has become increasingly important in the operational flow measurement of liquids and gases, in summary flowing media. The flow measurement is carried out — as in the case of magnetic-inductive flow meters — “without contact”, ie. H. without disturbing installations in the flow, which always result in turbulence and an increased pressure loss.
Bei Ultraschall-Durchflußmessern unterscheidet man hinsichtlich des Meßverfahrens vor allem zwischen dem Laufzeit- Verfahren und dem Doppier- Verfahren, beim Lauf¬ zeit-Verfahren zwischen dem direkten Laufzeitdifferenz- Verfahren, dem Impulsfolge¬ frequenz-Verfahren und dem Phasenverschiebungs-Verfahren (vgl. H. Bernard "Ultraschall-Durchflußmessung" in "Sensoren, Meßaufnehmer", herausgegeben von Bonfig / Bartz / Wolff im expert verlag, ferner die VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ul¬ traschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").In the case of ultrasonic flowmeters, a distinction is made with regard to the measuring method, in particular between the transit time method and the doubling method, and in the transit time method between the direct transit time difference method, the pulse sequence frequency method and the phase shift method (cf. H Bernard "Ultrasonic flow measurement" in "Sensors, transducers", published by Bonfig / Bartz / Wolff in the expert publisher, furthermore the VDI / VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultrasonic flow measurement of liquids in fully flowed pipelines").
Zu Ultraschall-Durchflußmessern der in Rede stehenden Art gehören funktionsnot¬ wendig einerseits ein Meßrohr, daß in der Regel zusammen mit einer Einlaufstrecke und einer Auslaufstrecke die Meßstrecke darstellt, und andererseits mindestens zwei in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die auch als Meßköpfe bezeichnet werden. Dabei ist Ultraschallwandler sehr allgemein zu verstehen. Zunächst gehören zu den Ultraschallwandlern einerseits Ultraschall¬ sender, also Meßköpfe zur Erzeugung und zur Abstrahlung von Ultraschallsignalen, andererseits Ultraschallempfänger, also Meßköpfe zum Empfang von Ultraschallsig¬ nalen und zur Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Sig¬ nale. Zu den Ultraschallwandlern gehören aber auch Meßköpfe, die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger in sich vereinigen, die also sowohl der Erzeugung und der Abstrahlung von Ultraschallsignalen als auch dem Empfang von UltraschallsignalenUltrasonic flowmeters of the type in question include, on the one hand, a measuring tube which, as a rule, represents the measuring section together with an inlet section and an outlet section, and on the other hand at least two ultrasound transducers which are offset with respect to one another in the flow direction and are also referred to as measuring heads. Ultrasound transducers are to be understood very generally. First of all, the ultrasonic transducers include ultrasonic transmitters, ie measuring heads for generating and emitting ultrasonic signals, and secondly ultrasonic receivers, ie measuring heads for receiving ultrasonic signals and for converting the received ultrasonic signals into electrical signals. However, the ultrasonic transducers also include measuring heads which combine ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, that is to say that they generate and emit ultrasonic signals as well as receive ultrasonic signals
ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) und der Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale dienen.ERSÄΓZBLÄΓT (RULE 26) and convert the received ultrasound signals into electrical signals.
Im übrigen gibt es einerseits Ultraschall-Durchflußmesser, bei denen die Ultraschall¬ wandler nicht mit dem strömenden Medium in Kontakt kommen, also von außen auf dem Meßrohr angeordnet sind, sogenannte "Clamp-on-Anordnung", andererseits Ul¬ traschall-Durchflußmesser, bei denen die Ultraschallwandler mit dem strömenden Medium in Kontakt sind. Die Erfindung betrifft nur solche Ultraschall-Durchflußmes¬ ser, bei denen die Ultraschallwandler mit dem strömenden Medium im Kontakt sind.For the rest, there are ultrasonic flow meters, on the one hand, in which the ultrasonic transducers do not come into contact with the flowing medium, that is to say are arranged on the measuring tube from the outside, so-called "clamp-on arrangement", and, on the other hand, ultrasonic flow meters which the ultrasonic transducers are in contact with the flowing medium. The invention relates only to those ultrasonic flow meters in which the ultrasonic transducers are in contact with the flowing medium.
Einleitend ist gesagt, daß bei den in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmessem die Ultraschallwandler in Wandlertaschen des Meßrohres eingebaut sind. Wandlertaschc meint dabei eine außerhalb des Strömungsquerschnitts des Meßrohres liegende Aus¬ nehmung oder Vertiefung, wie auch immer realisiert, in der ein Ultraschallwandler so eingebaut ist, daß er nicht in den Strömungsquerschnitt des Meßrohres hineinragt, die Strömung also eigentlich nicht beeinflußt. Da die Ultraschallwandler in Strömungs¬ richtung gegeneinander versetzt angeordnet, im übrigen aber aufeinander ausgerich¬ tet sind, verläuft in der Regel die Längsachse der Wandlertaschen unter einem spit¬ zem Winkel bzw. unter einem stumpfen Winkel zur Strömungsrichtung des strömen¬ den Mediums bzw. zur Längsachse des Meßrohres (vgl. das Bild 6.1.1 auf Seite 532 der Literaturstelle "Sensoren, Meßaufnehmer", aaO, das Bild 8 auf Seite 18 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen", und FIG. 2-2 auf Seite 21 der Literaturstelle "Ul¬ trasonic Measurements for Process Control" von Lawrence C. Lynnworth, ACADE- MIC PRESS, INC., herausgegeben von Harcourt Brace Jovanovich).In the introduction it is said that in the ultrasonic flow meters in question, the ultrasonic transducers are installed in transducer pockets of the measuring tube. Wandlertaschc means a recess or depression, as always realized, outside the flow cross-section of the measuring tube, in which an ultrasonic transducer is installed in such a way that it does not protrude into the flow cross-section of the measuring tube, ie it does not actually influence the flow. Since the ultrasound transducers are arranged offset with respect to one another in the flow direction, but are otherwise aligned with one another, the longitudinal axis of the transducer pockets generally runs at an acute angle or at an obtuse angle to the direction of flow of the flowing medium or to Longitudinal axis of the measuring tube (cf. Figure 6.1.1 on page 532 of the literature reference "Sensors, sensors", loc. Cit., Figure 8 on page 18 of VDI / VDE DIRECTIVE 2642 "Ultrasonic flow measurement of liquids in fully flowed pipelines", and 2-2 on page 21 of the reference "Ultrasonic Measurements for Process Control" by Lawrence C. Lynnworth, ACADEMIC PRESS, INC., Edited by Harcourt Brace Jovanovich).
Bei Ultraschall-Durchflußmessem lassen die Wandlertaschen die Strömung des in dem Meßrohr strömenden Mediums nicht unbeeinflußt, vielmehr werden Wirbel generiert, und zwar mit der FrequenzIn ultrasonic flowmeters, the transducer pockets do not leave the flow of the medium flowing in the measuring tube unaffected, rather vortices are generated, with the frequency
DD
mit S = Strouhal-Zahl,with S = Strouhal number,
V = Geschwindigkeit des strömenden Mediums,V = velocity of the flowing medium,
ERSÄΓZBLATT (REGEL 26) D = Größe der WandlertascheSUBSTITUTE SHEET (RULE 26) D = size of the converter bag
Dazu wird verwiesen auf die Literaturstelle "Boundary-Layer Theory" von Dr. Hermann Schlichting, McGRAW-HILL BOOK COMPANY.Please refer to Dr. Boundary-Layer Theory. Hermann Schlichting, McGRAW-HILL BOOK COMPANY.
Folgende Betrachtung zeigt die Auswirkung der von den Wandlertaschen generier¬ ten Wirbel:The following observation shows the effect of the eddies generated by the converter pockets:
Die Strouhal-Zahl liegt bei etwa 0,2 und verändert sich wenig, wenn die Reynold- sche-Zahl zwischen 2 x 102 und 6 x 105 liegt (vgl. die Fig. 2.9 auf Seite 32 der Litera¬ turstelle "Boundary-Layer Theory", aaO). Normalerweise werden piezoelektrische Ul¬ traschallwandler verwendet, die einen Durchmesser von 10 bis 20 mm haben, d. h. die Größe der Vertiefung liegt zwischen 15 und 40 mm. Bei Geschwindigkeiten des strö¬ menden Mediums zwischen 0,5 und 10 m/s liegt die Frequenz der von den Wandler¬ taschen generierten Wirbel zwischen 2,5 und 133 Hz. Soll nun mit einer Genauigkeit von 0, 1 % gemessen werden, dann liegt die Zeitkonstante zwischen etwa 3,8 s und etwa 200 s. Die Dynamik der in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmesser ist also schlecht.The Strouhal number is about 0.2 and changes little if the Reynolds number is between 2 x 102 and 6 x 105 (see Fig. 2.9 on page 32 of the literature "Boundary-Layer Theory ", loc. cit.). Piezoelectric ultrasound transducers are normally used which have a diameter of 10 to 20 mm, i. H. the size of the recess is between 15 and 40 mm. At speeds of the flowing medium between 0.5 and 10 m / s, the frequency of the vortices generated by the transducer pockets is between 2.5 and 133 Hz. If measurements are now to be carried out with an accuracy of 0.1%, then this is the time constant between about 3.8 s and about 200 s. The dynamics of the ultrasonic flow meters in question are therefore poor.
Zur Lösung des zuvor im einzelnen dargestellten Problems, das aus den von den Wandlertaschen generierten Wirbeln resultiert, ist bereits vorgeschlagen worden, die Wandlertaschen mit Kunststoff auszufüllen (vgl. die FIG. 4-9 auf Seite 257 der Litera¬ turstelle "Ultrasonic Measurments for Process Control", aaO). Dabei entstehen jedoch die gleichen, auf dem Snellius-Gesetz beruhenden Nachteile wie bei Ultraschall- Durchflußmessem, bei denen die Ultraschallwandler von außen auf dem Meßrohr be¬ festigt sind, also bei der sogenannten "Clamp-on- Anordnung". Zusätzlich gibt es Probleme mit der akustischen Impedanz und technologische Probleme mit dem die Wandlertaschen ausfüllenden Kunststoff, insbesondere bei höheren Temperaturen. Die mit dem Ausfüllen der Wandlertaschen mit Kunststoff verbundenen Nachteile und Probleme sind der Grund dafür, warum diese Ausführung in die Praxis keinen Eingang gefunden hat.To solve the problem described in detail above, which results from the vortices generated by the transducer pockets, it has already been proposed to fill the transducer pockets with plastic (cf. FIG. 4-9 on page 257 of the literature passage "Ultrasonic Measurments for Process Control ", loc. Cit.). However, this gives rise to the same disadvantages based on the Snellius law as in ultrasonic flowmeters, in which the ultrasonic transducers are attached to the outside of the measuring tube, that is to say in the so-called "clamp-on arrangement". In addition, there are problems with acoustic impedance and technological problems with the plastic filling the converter pockets, especially at higher temperatures. The disadvantages and problems associated with filling the converter bags with plastic are the reason why this design has not found its way into practice.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ultraschall-Durch¬ flußmesser, von denen die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß von den Wandlertaschen generierte Wirbel sich nicht in der beschriebenen Weise nachteilig auswirken.The invention is based on the object of thus designing and developing the known ultrasonic flow meters from which the invention is based, that vortices generated by the converter pockets do not have a disadvantageous effect in the manner described.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Wandlertaschen eingangsseitig mit einem Maschen aufweisen¬ den Gitter versehen sind. Eingangsseitig meint dabei, daß das Gitter dort vorgesehen ist, wo die Wandlertaschen, vom Meßrohr aus gesehen, beginnen. Funktionsnot¬ wendig sind die erfindungsgemäß vorgesehenen Gitter nur im jeweiligen Eingangsbe¬ reich der Wandlertaschen. Zweckmäßigerweise kann jedoch das Meßrohr insgesamt an seiner Innenseite mit einem durchgehenden Gitter versehen sein. Dann hat das Meßrohr insgesamt eine gleichmäßige Rauhigkeit, wodurch das Strömungsprofil und damit das Meßergebnis stabilisiert wird.The ultrasonic flow meter according to the invention, in which the previously derived and shown object is achieved, is initially and essentially characterized by the fact that the transducer pockets are provided with a mesh on the inlet side. On the input side, this means that the grid is provided where the converter pockets, as seen from the measuring tube, begin. The grids provided according to the invention are only necessary in the respective input area of the converter pockets. Expediently, however, the measuring tube as a whole can be provided with a continuous grid on its inside. Then the measuring tube has a uniform roughness overall, whereby the flow profile and thus the measurement result is stabilized.
Das erfindungsgemäß zumindest am Eingang jeder Wandlertasche vorgesehene Git¬ ter, dessen Maschen natürlich ultraschalldurchlässig sein müssen, führt einerseits zu einer Verringerung der Wirbel, andererseits zu einer Vergrößerung der Frequenz der noch auftretenden Wirbel. Da, wie eingangs beschrieben, die Frequenz der generier¬ ten Wirbel proportional der Strouhal-Zahl und der Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist, jedoch umgekehrt proportional ist zum im einzelnen wirksamen Quer¬ schnitt, wird unmittelbar verständlich, daß dann, wenn der wirksame Querschnitt der Maschen bei etwa einem Zehntel des wirksamen Querschnitts der Wandlertaschen liegt, sich die Frequenz der generierten Wirbel verzehnfacht. Da nun des weiteren, wie eingangs auch dargestellt, die Zeitkonstante umgekehrt proportional zur Fre¬ quenz der generierten Wirbel ist, verringert sich die Zeitkonstante auf ein Zehntel, für das eingangs dargestellte Beispiel also auf etwa 0,4 bis 20 s.The grating provided according to the invention at least at the entrance of each converter pocket, the meshes of which must of course be ultrasound-permeable, leads on the one hand to a reduction in the eddies and on the other hand to an increase in the frequency of the eddies still occurring. Since, as described at the beginning, the frequency of the generated vortices is proportional to the Strouhal number and the speed of the flowing medium, but is inversely proportional to the effective cross section, it is immediately understandable that if the effective cross section of the Mesh is around a tenth of the effective cross-section of the converter pockets, the frequency of the generated vertebrae increases tenfold. Furthermore, since the time constant is also inversely proportional to the frequency of the generated vortices, as also shown at the beginning, the time constant is reduced to a tenth, for the example shown at the beginning to about 0.4 to 20 s.
Zuvor ist darauf hingewiesen worden, daß die erfindungsgemäß vorgesehenen Gitter natürlich ultraschalldurchlässig sein müssen. Das ist dann sichergestellt, wenn die Maschen des Gitters Flechtgerten F haben, die kleiner sind als das Produkt aus der mittleren Tiefe T der Wandlertaschen und der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strö¬ menden Medium. Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmesser auszugestalten und weiterzubilden; das gilt insbesonde¬ re in bezug auf die Geometrie der Maschen des erfindungsgemäß vorgesehenen Git¬ ters. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungs- beispielcn in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt, jeweils schema¬ tischIt has previously been pointed out that the grids provided according to the invention must of course be ultrasound-permeable. This is ensured if the mesh of the grating has braiding devices F which are smaller than the product of the average depth T of the converter pockets and the wavelength λ of the ultrasound in the flowing medium. In particular, there are now a multitude of possibilities for designing and developing the ultrasonic flow meter according to the invention; this applies in particular with regard to the geometry of the mesh of the grid provided according to the invention. For this purpose, reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1, on the other hand to the description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the drawing. In the drawing, each shows schematically
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen bekannten Ultraschall-Durchflußmesser, von dem die Erfindung ausgeht,1 shows a longitudinal section through a known ultrasonic flow meter from which the invention is based,
Fig. 2 einen bekannten Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem die Wandlerta¬ schen mit Kunststoff ausgefüllt sind,2 shows a known ultrasonic flow meter in which the transducer pockets are filled with plastic,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ullraschall-3 shows a first exemplary embodiment of an ultrasonic
Durchflußmessers,Flow meter,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-4 shows a second embodiment of an ultrasonic
Durchflußmessers undFlow meter and
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung dessen, was durch dieFig. 5 is a graphical representation for explaining what is by the
Lehre der Erfindung erreicht worden ist.Teaching of the invention has been achieved.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser sind bestimmt für strömende Medien, insbesondere für Flüssigkeiten, aber auch für Gas. Mit Hilfe der in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmesser kann die Geschwindigkeit des strömen¬ den Mediums gemessen werden. Aus der gemessenen Geschwindigkeit und dem be¬ kannten Strömungsquerschnitt läßt sich der Durchfluß bestimmen.The ultrasonic flow meters shown in FIGS. 1 to 4 are intended for flowing media, in particular for liquids, but also for gas. The speed of the flowing medium can be measured with the aid of the ultrasound flow meter in question. The flow can be determined from the measured speed and the known flow cross section.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Meßrohr 1 und zwei in Strömungsrichtung ge¬ geneinander versetzt angeordneten Ultraschallwandlern 2. In den dargestellten Aus¬ führungsbeispielen sind jeweils nur zwei Ultraschallwandler 2 vorgesehen; die noch folgende Erläuterung der Erfindung ist ohne weiteres natürlich auch anwendbar aufThe basic design of the ultrasonic flow meters shown in FIGS. 1 to 4 consist of a measuring tube 1 and two ultrasonic transducers 2 arranged offset in the flow direction. Only two ultrasonic transducers 2 are provided in the exemplary embodiments shown; the following explanation of the invention is of course also applicable to
ERSATZBUTT (REGEL 26) Ultraschall-Durchflußmesser, bei denen mehr als zwei Ultraschallwandler 2 vorgese¬ hen sind.REPLACEMENT BUTT (RULE 26) Ultrasonic flow meter in which more than two ultrasonic transducers 2 are provided.
Wie die Fig. 1 bis 4 zeigen, sind die Ultraschallwandler 2 mit Kontakt zum strömenden Medium in Wandlertaschen 3 des Meßrohres 1 eingebaut. In allen dargestellten Aus¬ führungsbeispielen verläuft die Längsachse der Wandlertaschen 3 unter einem spit¬ zen Winkel bzw. unter einem stumpfen Winkel zur Strömungsrichtung bzw. zur Längsachse des Meßrohres 1.1 to 4 show, the ultrasonic transducers 2 are installed in contact with the flowing medium in transducer pockets 3 of the measuring tube 1. In all the exemplary embodiments shown, the longitudinal axis of the converter pockets 3 extends at an acute angle or at an obtuse angle to the direction of flow or to the longitudinal axis of the measuring tube 1.
Wie die Fig. 1 zeigt, bilden sich bei dem in dieser Figur dargestellten Ultraschall- Durchflußmesser im Bereich der Wandlertaschen 3 relativ große Wirbel 4 aus. Bei dem in Fig. 2 dargestellten bekannten Ultraschall-Durchflußmesser treten im Bereich der Wandlertaschen 3 Wirbel nicht auf, weil die Wandlertaschen 3 mit Kunststoff 5 ausgefüllt sind. Diese Ausführungsform ist jedoch mit den eingangs beschriebenen Nachteilen und Problemen behaftet, so daß sie sich in der Praxis nicht hat bewähren können.As shown in FIG. 1, relatively large eddies 4 form in the ultrasonic flow meter shown in this figure in the region of the converter pockets 3. In the known ultrasonic flow meter shown in FIG. 2, swirls do not occur in the area of the transducer pockets 3 because the transducer pockets 3 are filled with plastic 5. However, this embodiment has the disadvantages and problems described at the outset, so that it has not been able to prove itself in practice.
Erfindungsgemäß ausgestaltete Ultraschall-Durchflußmesser sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Wandlertaschen 3, und zwar nur die Wandlertaschen 3, eingangsseitig mit einem Maschen 6 aufweisenden Gitter 7 versehen. Demgegenüber zeigt die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Ultraschall-Durchflußmessers, bei dem Meßrohr 1 an seiner Innenseite 8 mit einem durchgehenden Gitter 7 versehen ist; das Meßrohr 1 ist folglich insgesamt mit einem Gitter 7 versehen.Ultrasonic flow meters designed according to the invention are shown in FIGS. 3 and 4. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the converter pockets 3, namely only the converter pockets 3, are provided on the input side with a mesh 7 having meshes 6. In contrast, FIG. 4 shows an embodiment of the ultrasonic flow meter according to the invention, in which the measuring tube 1 is provided on its inside 8 with a continuous grating 7; the measuring tube 1 is consequently provided with a grid 7 as a whole.
Wie bereits ausgeführt, muß das erfindungsgemäß vorgesehene Gitter 7 ultraschall¬ durchlässig sein. Das ist dann sichergestellt, wenn die Maschen 6 des Gitters 7 Flechtgerten F haben, die kleiner sind als das Produkt aus der mittleren Tiefe T der Wandlertaschen und der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium.As already stated, the grating 7 provided according to the invention must be permeable to ultrasound. This is ensured if the meshes 6 of the grating 7 have braiding devices F which are smaller than the product of the average depth T of the converter pockets and the wavelength λ of the ultrasound in the flowing medium.
Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Geometrie der Maschen 6 des Gitters 7 zu wählen, was in den Figuren im einzelnen nicht dargestellt ist. So können die Maschen 6 des Gitters 7 einen kreisförmigen oder einen elliptischen Querschnitt haben. Dann wird der Durchmesser der Maschen 6 des Gitters 7 so gewählt, daß er zwischen der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium und dem Dop¬ pelten dieser Wellenlänge liegt. Die Maschen 6 des Gitters 7 können auch einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen, oder einen rautenförmigen Quer¬ schnitt haben. Für die Dimensionierung der Maschen 6 des Gitters 7 gilt dann, daß die Seitenlängen der Maschen 6 gleich der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium oder größer als diese Wellenlänge sind, vorzugsweise jedoch kleiner sind als das Doppelte der Wellenlänge λ. Schließlich können die Maschen 6 des Gitters 7 auch einen dreieck-, polygonal- oder sternförmigen Querschnitt haben. Dann gilt für die Dimensionierung der Maschen 6, daß der Durchmesser des von den Maschen 6 des Gitters 7 eingeschlossenen Kreises gleich der Wellenlänge λ des strömenden Mediums oder größer als diese Wellenlänge ist, vorzugsweise jedoch kleiner ist als das Doppelte der Wellenlänge λ.In particular, there are various options for choosing the geometry of the meshes 6 of the grid 7, which is not shown in detail in the figures. The meshes 6 of the grid 7 can thus have a circular or an elliptical cross section. Then the diameter of the mesh 6 of the grid 7 is chosen so that it lies between the wavelength λ of the ultrasound in the flowing medium and the doubling of this wavelength. The meshes 6 of the grating 7 can also have a rectangular, in particular a square, or a diamond-shaped cross section. For the dimensioning of the meshes 6 of the grating 7 it then applies that the side lengths of the meshes 6 are equal to or greater than the wavelength λ of the ultrasound in the flowing medium, but are preferably less than twice the wavelength λ. Finally, the meshes 6 of the grid 7 can also have a triangular, polygonal or star-shaped cross section. It then applies to the dimensioning of the meshes 6 that the diameter of the circle enclosed by the meshes 6 of the grating 7 is equal to the wavelength λ of the flowing medium or greater than this wavelength, but is preferably less than twice the wavelength λ.
Ein Vergleich der Fig. 4 und 5 mit der Fig. 1 zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Ul¬ traschall-Durchflußmesser die Wirbel 4 wesentlich kleiner sind als die Wirbel 4 bei dem zum Stand der Technik gehörenden Ultraschall-Durchflußmesser nach Fig. 1. Im übrigen ist, wie ausgeführt, die Frequenz der Wirbel 4 bei dem erfindungsgemäßen Ul¬ traschall-Durchflußmesser wesentlich größer als die Frequenz der Wirbel 1 bei dem bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser. Dadurch ist die Zeit¬ konstante wesentlich verringert, beispielsweise um den Faktor 10, und die Me߬ genauigkeit, und zwar sowohl die Linearität als auch die Reproduzierbarkeit, we¬ sentlich verbessert. Schließlich ist auch noch das Verhältnis von Meßsignal zu Stör¬ signal verbessert.A comparison of FIGS. 4 and 5 with FIG. 1 shows that in the ultrasonic flow meter according to the invention the vortices 4 are significantly smaller than the vortices 4 in the ultrasonic flow meter according to FIG. 1 belonging to the prior art the rest, as stated, the frequency of the vortices 4 in the ultrasonic flow meter according to the invention is substantially greater than the frequency of the vortices 1 in the known ultrasound flow meter shown in FIG. 1. As a result, the time constant is significantly reduced, for example by a factor of 10, and the measurement accuracy, namely both the linearity and the reproducibility, is significantly improved. Finally, the ratio of the measurement signal to the interference signal is also improved.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Meßfehlers von der Geschwindigkeit des strömen¬ den Mediums, und zwar einerseits für den bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ultra¬ schall-Durchflußmesser, andererseits für den eifindungsgemäßen, in den Fig. 3 und 4 dargestellten Durchflußmesser. Man sieht ohne weiteres, daß bei dem bekannten Durchflußmesser der Meßfehler stark von der Geschwindigkeit des strömenden Me¬ diums abhängt, im übrigen relativ groß ist, während bei dem erfindungsgemäßen Ul¬ traschall-Durchflußmesser ein insgesamt ausgesprochen kleiner, von der Geschwin¬ digkeit des strömenden Mediums kaum abhängiger Meßfehler vorliegt. Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die bei dem erfindungsgemäßen Ul¬ traschall-Durchflußmesser auftretenden relativ kleinen Wirbel 4 nicht nur meßtech¬ nisch praktisch kaum noch stören, vielmehr auch einen positiven Beitrag zur dauer¬ haften Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmessers lei¬ sten, nämlich insoweit, als die Wirbel 4 dazu führen, daß das Gitter 7 stets gereinigt wird, die Maschen 6 des Gitters 7 also ultraschalldurchlässig bleiben. 5 shows the dependence of the measurement error on the speed of the flowing medium, on the one hand for the known ultrasonic flow meter shown in FIG. 1 and on the other hand for the flow meter according to the invention shown in FIGS. 3 and 4. It can easily be seen that, in the known flow meter, the measurement error depends strongly on the speed of the flowing medium, and is otherwise relatively large, while in the ultrasonic flow meter according to the invention, an overall extremely small one, on the speed of the flowing one There is hardly any measurement error dependent on the medium. In conclusion, it should also be pointed out that the relatively small vortices 4 which occur in the ultrasonic flow meter according to the invention not only hardly interfere with measurement technology, but also make a positive contribution to the permanent functionality of the ultrasonic flow meter according to the invention, namely to the extent that the vortices 4 lead to the mesh 7 always being cleaned, the meshes 6 of the mesh 7 thus remaining permeable to ultrasound.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1 . Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien, mit einem Meßrohr und mit mindestens zwei in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Ultra¬ schallwandlern, wobei die Ultraschallwandler mit Kontakt zum strömenden Medium in Wandlertaschen des Meßrohres eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlertaschen (3) eingangsseitig mit einem Maschen (6) aufweisenden Gitter (7) versehen sind.1 . Ultrasonic flow meter for flowing media, with a measuring tube and with at least two ultrasonic transducers arranged offset with respect to each other in the flow direction, the ultrasonic transducers with contact to the flowing medium being installed in transducer pockets of the measuring tube, characterized in that the transducer pockets (3) have an inlet on the input side Meshes (6) having grids (7) are provided.
2. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr ( 1 ) an seiner Innenseite (8) mit einem durchgehenden Gitter (7) versehen ist.2. Ultrasonic flow meter according to claim 1, characterized in that the measuring tube (1) on its inside (8) is provided with a continuous grating (7).
3. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) Flcchtgerten (F) mit F < T λ haben, wobei T die mittle¬ re Tiefe der Wandlertaschen (3) und λ die Wellenlänge des Ultraschalls im strömen¬ den Medium bedeutet.3. Ultrasonic flow meter according to claim 1 or 2, characterized in that the mesh (6) of the grating (7) Flcchtgerte (F) with F <T λ, where T is the central depth of the transducer pockets (3) and λ means the wavelength of the ultrasound in the flowing medium.
4. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen kreisförmigen oder einen ellipti¬ schen Querschnitt haben.4. Ultrasonic flow meter according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the mesh (6) of the grid (7) have a circular or an elliptical cross-section.
5. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmcsser der Maschen (6) des Gitters (7) zwischen der Wellenlänge (λ) des Ultra¬ schalls im strömenden Medium und dem Doppelten dieser Wellenlänge liegt.5. Ultrasonic flow meter according to claim 4, characterized in that the diameter of the mesh (6) of the grating (7) lies between the wavelength (λ) of the ultrasound in the flowing medium and twice this wavelength.
6. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen, oder einen rautenförmigen Querschnitt haben.6. Ultrasonic flow meter according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the mesh (6) of the grid (7) have a rectangular, in particular a square, or a diamond-shaped cross section.
7. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der Maschen (6) des Gitters (7) gleich der Wellenlänge (λ) des Ultra¬ schalls im strömenden Medium oder größer als diese Wellenlänge sind, vorzugsweise jedoch kleiner sind als das Doppelte der Wellenlänge (λ). 7. Ultrasonic flow meter according to claim 6, characterized in that the side lengths of the mesh (6) of the grating (7) are equal to the wavelength (λ) of the ultrasound in the flowing medium or greater than this wavelength, but are preferably less than twice the wavelength (λ).
8. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen dreieck-, polygonal- oder stern¬ förmigen Querschnitt haben.8. Ultrasonic flow meter according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the mesh (6) of the grid (7) have a triangular, polygonal or star-shaped cross section.
9. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des von den Maschen (6) des Gilters (7) eingeschlossenen Kreises gleich der Wellenlänge (λ) des strömenden Mediums oder größer als diese Wellenlän¬ ge ist, vorzugsweise jedoch kleiner ist als das Doppelte der Wellenlänge (λ). 9. Ultrasonic flow meter according to claim 8, characterized in that the diameter of the mesh (6) of the Gilter (7) enclosed circle is equal to the wavelength (λ) of the flowing medium or greater than this wavelength, but is preferably smaller is twice the wavelength (λ).
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