WO1998007006A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung Download PDF

Info

Publication number
WO1998007006A1
WO1998007006A1 PCT/EP1997/004225 EP9704225W WO9807006A1 WO 1998007006 A1 WO1998007006 A1 WO 1998007006A1 EP 9704225 W EP9704225 W EP 9704225W WO 9807006 A1 WO9807006 A1 WO 9807006A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring tube
ultrasound
tube axis
ultrasonic transducers
section
Prior art date
Application number
PCT/EP1997/004225
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Loetz-Dauer
Volker Wetzel
Michael Teufel
Original Assignee
Elster Produktion Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elster Produktion Gmbh filed Critical Elster Produktion Gmbh
Priority to AT97935565T priority Critical patent/ATE208888T1/de
Priority to DE59705401T priority patent/DE59705401D1/de
Priority to EP97935565A priority patent/EP0917645B1/de
Publication of WO1998007006A1 publication Critical patent/WO1998007006A1/de

Links

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 method and a device for ultrasonic flow measurement of fluids in a measuring tube, the ultrasound being guided along two sound paths, which are mirror images of one another in a common diagonal plane of the measuring tube and are each defined by two ultrasonic transducers and an intermediate functional reflection surface .
  • the speed field in the measuring room is scanned with a number of individual sound paths, from which the mean flow velocity or the volume flow is then calculated.
  • the mean flow velocity or the volume flow is then calculated.
  • there are sometimes considerable measurement errors in these systems. arise, among other things, from the fact that only a line integration takes place along the sound path and from this it is concluded that the entire speed field.
  • the approximate integration according to Gauss can generally achieve sufficient insensitivity to asymmetrical flow, but a large number of ultrasonic transducers, typically eight, are required to build up the required number of sound paths or integration support points.
  • the sensitivity to swirling flow is not improved by Gauss' integration.
  • the two sound paths are subjected to a reflection, and they are mirror images of one another in a common diagonal plane of the measuring tube.
  • the mirroring achieves a largely insensitivity to swirl currents, since the tangential velocity components along one path add up positively and those along the other path add up and thus cancel each other out.
  • the invention has for its object to further develop such a system and to provide a simple way to increase the measuring accuracy of the ultrasonic flow measurement.
  • the method mentioned at the outset is characterized in that the ultrasound is emitted in each case as a divergent bundle of rays and focused by the associated functional reflection surface, the center line of each sound path both in a projection perpendicular to the measuring tube axis and in a projection parallel to the measuring tube axis forms a triangle tip.
  • the divergent beams enable surface integration, from which correspondingly accurate measured values result. This results from the largely exact detection of the speed field with extensive compensation of the tangential components of swirl flows.
  • a high level of insensitivity to pre-disturbances in the inlet section is achieved.
  • the invention enables a very efficient use of the radiated sound energy.
  • This property is particularly important in gas flow measurement, because the sound energy is strongly absorbed in the medium, which is due to the material constants.
  • there is the so-called geometric damping due to the spatial expansion of the sound energy which has not been compensated for in the case of medium and large nominal widths.
  • the intensity that was acoustically lost to the signal in this way could only be partially compensated for by the electronics or by ultrasonic transducers of high efficiency.
  • the flow of certain important gases, such as Natural gas cannot be measured in medium and large sizes. The invention makes this possible.
  • k 1.
  • the weighting of the mean values of k includes in particular the intensity distribution within the divergent beams.
  • the intensity distribution of the ultrasonic transducers is essentially uniform within the opening angle of the respective divergent beam.
  • the vertical distance between the center lines of the beams from the axis has proven to be particularly favorable to select the measuring tube essentially equal to half the measuring tube radius.
  • the ultrasound is preferably focused two-dimensionally (cylindrical).
  • This type of focusing has the advantage that the cross section of the measuring tube does not change in the axial direction and accordingly does not affect the flow profile.
  • the deflection of the beams caused by the flow is also not critical, since their natural divergence is preserved in the axial direction.
  • Another equally advantageous alternative is proposed to focus the ultrasound three-dimensionally. In terms of intensity, this type of focusing is more effective than two-dimensional focusing. However, additional measures are required to compensate for the flow-dependent deflection of the sound field in the axial direction.
  • the ultrasound is emitted and reflected at a lead angle directed against the flow direction of the fluid, the lead angle preferably being approximately 50 to 100% of the deflection angle resulting at the maximum flow velocity of the fluid. This compensates for the loss of intensity caused by the sound field deflection.
  • bidirectional measurements are not possible.
  • the foci are placed in the direction of sound propagation in front of or behind the ultrasound transducers, by such an amount that the beams have the necessary diameter at the location of the transducers to hit the receiver even with axial deflection.
  • the device according to the invention works with a measuring tube, four ultrasonic transducers, which are arranged in pairs in a common diagonal plane of the measuring tube in mirror image to each other, and each with a functional reflection surface between the ultrasonic transducers of each pair, this device for achieving the object being characterized according to the invention,
  • the ultrasonic transducers are designed and arranged such that they emit divergent beams, the center lines of which form a triangular tip both in a projection perpendicular to the measuring tube axis and in a projection parallel to the measuring tube axis, and
  • reflection surfaces are designed as focusing surfaces.
  • the method according to the invention can be carried out in a preferred manner, the device being simple in terms of apparatus because only four ultrasound transducers are required.
  • the device also works largely independently of the respective installation conditions.
  • the focussing surfaces viewed in section perpendicular to the measuring tube axis, are each delimited by a circular arc or by a parabola that approximate an ellipse, in the focal points of which the ultrasonic transducers of the associated pair are located.
  • the focussing surfaces are each delimited by an ellipse, in the focal points of which the ultrasonic transducers of the associated pair are located.
  • the focussing surfaces are each delimited by an arc or by a parabola that approximate an ellipse, in the focal points of which the ultrasound transducers of the associated pair are located.
  • FIG. 2 shows a schematic radial section through a measuring tube
  • FIG. 4 shows a modified embodiment in a representation corresponding to FIG. 3.
  • Fig. 1 shows the arrangement of the sound paths, namely a) in section perpendicular to the measuring tube axis, b) in side view and c) in plan.
  • the sound paths are therefore mirror images of one another and lie in a common diagonal plane of the measuring tube.
  • Fig. 2 shows a section through a measuring tube 1, the section plane being perpendicular to the measuring tube axis.
  • the measuring tube contains a total of four ultrasound transducers 2-5, the ultrasound transducers 2 and 3 forming a first pair of transmitter / receiver and the ultrasound transducers 4 and 5 forming a second pair of transmitter / receiver.
  • the ultrasonic transducers 2 and 4 lie in the sectional plane, while the ultrasonic transducers 3 and 5 are arranged behind the plane of the drawing, but are projected into it, see also FIG. 3. For the latter and for FIG. 4, it applies that all ultrasonic transducers are projected into the sectional plane .
  • the ultrasonic transducer 2 generates a divergent beam, which is indicated by edge rays 6 and 7 and a center line 8.
  • the beam of rays is focused on the ultrasonic transducer 3 at a functional reflection surface 9, but only in its orientation perpendicular to the measuring tube axis.
  • Parallel to the measuring tube axis, the natural divergence of the radiation beam is maintained, see FIG. 3, shown here using the ultrasound transducers 4 and 5, which are arranged in mirror image to the ultrasound transducers 2 and 3, but otherwise define corresponding sound paths.
  • the center lines 8 of the beams form a triangular tip in both projections, their vertical distance from the measuring tube axis corresponding to half the measuring tube radius.
  • the beams capture more than 90% of the cross-section of the measuring tube.
  • each reflection surface 9 is delimited by an ellipse 10, in the focal points of which the ultrasonic transducers of the associated pair are located, the arrangement being such that the reflection surfaces 9 each intersect with the small semiaxis of their ellipse on the inner wall of the measuring tube.
  • the divergent beams of the ultrasonic transducers are focused two-dimensionally. If the bundles of rays are deflected depending on the flow, the focus is not affected, as can clearly be seen in FIG. 3.
  • the measuring device can therefore work bidirectionally.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the divergent beams are focused three-dimensionally.
  • the Reflection surface 9 is curved not only in its projection perpendicular to the measuring tube axis, but also in its projection parallel to the measuring tube axis.
  • the curvature is defined by an ellipse, in the focal points of which the associated ultrasound transducers (here the ultrasound transducers 4 and 5) are arranged.
  • the bundles of rays thus fall approximately point-wise onto the ultrasonic transducers working as receivers. If there were a flow-related deflection of the radiation beams under these conditions, the foci would leave the associated receivers. This is counteracted in the present case by adjusting the center lines 8 of the beams against the direction of flow by a lead angle 11 which is approximately 50 to 100% of the deflection angle which results at the maximum flow velocity of the fluid.
  • the reflection surfaces can be delimited both in their vertical and in their axially parallel projection by an arc or by a parabola, each of which approximates an ellipse, in the focal points of which the ultrasound transducers of the associated pair are arranged.
  • the flow-related deflection of the beams in three-dimensional focusing can be compensated for by placing the foci in front of or behind the ultrasound transducers in the direction of sound propagation.
  • the number of ultrasonic transducer pairs used can be increased, but it has been shown that the use of four ultrasonic transducers, which is particularly favorable in terms of device technology, already provides results with more than sufficient accuracy.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Der Ultraschall wird entlang zweier Ultraschallpfade geleitet, die spiegelbildlich zueinander in einer gemeinsamen diagonalen Ebene eines Meßrohres (1) verlaufen und jeweils durch zwei Ultraschallwandler (2, 3; 4, 5) und eine zwischenliegende funktionale Reflexionsfläche (9) definiert werden. Der Ultraschall wird jeweils als divergentes Strahlenbündel ausgesendet und durch die zugehörige Reflexionsfläche fokussiert, wobei die Mittellinie (8) jedes Schallpfades sowohl in achssenkrechter als auch in achsparalleler Projektion eine Dreieckspitze bildet. Die Schallpfade werden durch Bereiche des Meßrohrquerschnittes gelegt, in denen die gewichteten Mittelwerte der Geschwindigkeitskonstanten k = 1 sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflussmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflußmessung von Fluiden in einem Meßrohr, wobei der Ultraschall entlang zweier Schallpfade geleitet wird, die spiegelbildlich zueinander in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres verlaufen und jeweils durch zwei Ultraschallwandler und eine zwischenliegende funktionale Reflexionsfläche definiert werden.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Durchflußmessung bekannt, die in zum Teil unterschiedlicher Weise ein Ultraschallsignal durch ein Meßrohr senden. Dabei werden die interessierenden Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit aus Zeit- oder Frequenzmessungen abgeleitet. Auch die Signalgenerierung und -auswertung kann unterschiedlich sein.
Bei Rohrströmungen bis zu einer bestimmten Nennweite ist es möglich, unter Ausnutzung der Wellenleitung mit ebenen Wellenfronten den gesamten Querschnitt integral zu erfassen. Diese Verfahren erfordern aber mit zunehmender Nennweite niedrigere Frequenzen, so daß sie in der Praxis nur für Durchmesser unterhalb ca. 20 mm anwendbar sind.
Bei größeren Nennweiten wird das Geschwindigkeitsfeld im Meßraum mit einer Anzahl von einzelnen Schallpfaden abgetastet, aus denen dann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom berechnet wird. Je nach dem Grad der Vorstörung in der Einlaufstrecke, verursacht durch Rohrbögen, Raumkrümmer, VerSperrungen und dergleichen, ergeben sich bei diesen Systemen zum Teil erhebliche Meßfehler. Diese entstehen unter anderem dadurch, daß nur eine Linienintegration längs des Schallpfades stattfindet und daraus auf das gesamte Geschwindigkeitsfeld geschlossen wird. Über die näherungsweise Integration nach Gauss kann zwar im allgemeinen eine ausreichende Unempfindlichkeit gegenüber asymmetrischer Anströmung erreicht werden, jedoch wird eine große Anzahl von Ultraschallwandlern, typischerweise acht Stück, benötigt, um die erfoderliche Anzahl von Schallpfaden bzw. Integrationsstützstellen aufzubauen. Außerdem wird die Empfindlichkeit gegenüber drallbehafteter Strömung durch die Gauss ' sehe Integration nicht verbessert.
Bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art werden die beiden Schallpfade einer Reflexion unterworfen, wobei sie spiegelbildlich zueinander in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres verlaufen. Durch die Spiegelung wird eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Drallströmungen erzielt, da sich die tangentialen Geschwindigkeitskomponenten entlang des einen Pfades positiv und die entlang des anderen Pfades negativ addieren und somit aufheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges System weiterzuentwickeln und dabei eine apparativ einfache Möglichkeit zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der Ultraschall- Durchflußmessung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall jeweils als divergentes Strahlenbündel ausgesendet und durch die zugehörigen funktionale Reflexionsfläche fokussiert wird, wobei die Mittellinie jedes Schallpfades sowohl in einer Projektion senkrecht zur Meßrohrachse als auch in einer Projektion parallel zur Meßrohrachse eine Dreieckspitze bildet.
Auf diese Weise wird der Meßrohrquerschnitt zu einem wesentlichen Anteil, vorzugsweise zu mindestens etwa 90 %, von den divergenten Strahlenbündeln erfaßt. Die Strahlenbündel ermöglichen eine Flächenintegration, aus der entsprechend genaue Meßwerte resultieren. Dies ergibt sich aus der weitgehend exakten Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes unter weitgehender Kompensation der tangentialen Komponenten von Drallströmungen. Bereits mit zwei Schallpfaden, d.h. mit lediglich vier Ultraschallwandlern wird eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Vorstörungen in der Einlaufstrecke erreicht.
Darüber hinaus ermgöglicht die Erfindung eine sehr effiziente Nutzung der abgestrahlten Schallenergie. Vor allem in der Gasdurchflußmessung ist diese Eigenschaft von wesentlicher Bedeutung, denn die Schallenergie wird im Medium stark absorbiert, was durch die Stoffkonstanten bedingt ist. Hinzu kommt die sogenannte geometrische Dämpfung durch die räumliche Aufweitung der Schallenergie, die bei mittleren und großen Nennweiten bisher nicht kompensiert wurde. Die auf diese Weise akustisch dem Signal verlorengegangene Intensität konnte durch die Elektronik oder durch Ultraschallwandler von hohem Wirkungsgrad nur zum Teil wieder ausgeglichen werden. Unter atmosphärischem Druck und der damit einhergehenden geringen Dichte konnte daher der Durchfluß bestimmter wichtiger Gase, wie z.B. Erdgas, in mittleren und großen Nennweiten nicht gemessen werden. Die Erfindung schafft hierzu die Möglichkeit.
Vorzugsweise werden die Schallpfade durch Bereiche des Meßrohrquerschnitts gelegt, in denen die gewichteten Mittelwerte der Geschwindigkeitskonstanten k des laminaren und des turbulenten Strömungsprofils im wesentlichen einander gleich und unabhängig von der Reynoldszahl sind, vorteilhafterweise k = 1. Dies ermöglicht einen breiten Meßbereich, und zwar bezüglich sowohl des Drucks als auch der Geschwindigkeit im Meßrohr.
In die Wichtung der Mittelwerte von k geht insbesondere die Intensitätsverteilung innerhalb der divergenten Strahlenbündel ein. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß die Intensitätsverteilung der Ultraschallwandler innerhalb des Öffnungswinkels des jeweiligen divergenten Strahlenbündels im wesentlichen gleichförmig ist.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, den senkrechten Abstand der Mittellinien der Strahlenbündel von der Achse des Meßrohres im wesentlichen gleich dem halben Meßrohrradius zu wählen.
Vorzugsweise wird der Ultraschall zweidimensional (zylindrisch) fokussiert. Diese Art der Fokussierung hat den Vorteil, daß sich der Querschnitt des Meßrohres in Axialrichtung nicht ändert und das Strömungsprofil dementsprechend nicht beeinflußt. Auch ist die durch die Strömung verursachte Ablenkung der Strahlenbündel unkritisch, da deren natürliche Divergenz in axialer Richtung erhalten bleibt.
Als ebenfalls vorteilhafte Alternative wird vorgeschlagen, den Ultraschall dreidimensional zu fokussieren. Unter dem Gesichtspunkt der Intensität ist diese Art der Fokussierung effektiver als die zweidimensionale Fokussierung. Allerdings bedarf es zusätzlicher Maßnahmen, um die strömungsabhängige Schallfeldablenkung in axialer Richtung zu kompensieren.
Hierzu wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Ultraschall unter einem gegen die Strömungsrichtung des Fluids gerichteten Vorhaltewinkel ausgesendet und reflektiert wird, wobei der Vorhaltewinkel vorzugsweise ca. 50 bis 100 % des bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sich ergebenden Ablenkungswinkels beträgt. Dies kompensiert den durch die Schallfeldablenkung bedingten Intensitätsverlust . Allerdings sind bidirektionale Messungen dabei nicht möglich.
Letzteres ist hingegen der Fall, wenn, wie es als Alternative für die dreidimensionale Fokussierung vorgeschlagen wird, die Fokusse in Schallausbreitungsrichtung vor oder hinter die Ultraschallwandler gelegt werden, und zwar um einen solchen Betrag, daß die Strahlenbündel an der Stelle der Wandler den notwendigen Durchmesser aufweisen, um auch bei axialer Ablenkung noch den Empfänger zu treffen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet mit einem Meßrohr, vier Ultraschallwandlern, die paarweise in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, und mit je einer funktionalen Reflexionsfläche zwischen den Ultraschallwandlern jedes Paares, wobei diese Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist,
- daß die Ultraschallwandler derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie divergente Strahlenbündel aussenden, deren Mittellinien sowohl in einer Projektion senkrecht zur Meßrohrachse als auch in einer Projektion parallel zur Meßrohrachse eine Dreieckspitze bilden, und
- daß die Reflexionsflächen als fokussierende Flächen ausgebildet sind.
Mit dieser Vorrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in bevorzugter Weise durchführen, wobei die Vorrichtung apparatetechnisch einfach ist, da lediglich vier Ultraschallwandler benötigt werden. Auch arbeitet die Vorrichtung weitgehend unabhängig von den jeweiligen Einbaubedingungen.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich dadurch, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt senkrecht zur Meßrohrachse, jeweils von einer Ellipse begrenzt werden, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen, wobei die kleine Halbachse der Ellipse vorzugsweise an der Innenwand des Meßrohres endet .
Alternativ besteht die ebenfalls vorteilhafte Möglichkeit, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt senkrecht zur Meßrohrachse, jeweils von einem Kreisbogen oder von einer Parabel begrenzt werden, die eine Ellipse annähern, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen .
Beide vorstehend genannten Alternativen ergeben eine zwei- dimensionale Fokussierung, wobei der vorrichtungs echnische Vorteil darin besteht, daß sich der Meßrohrquerschnitt in axialer Richtung nicht ändert und daß das Meßrohr daher einfach gefertigt werden kann. Für eine dreidimensionale Fokussierung wird vorgeschlagen, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt parallel zur Meßrohrachse, zusätzlich gekrümmt sind.
Dies geschieht vorzugsweise dadurch, daß die fokussierenden Flächen jeweils von einer Ellipse begrenzt werden, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen.
Als ebenfalls vorteilhafte Alternative der Krümmung in Axialrichtung wird vorgeschlagen, daß die fokussierenden Flächen jeweils von einem Kreisbogen oder von einer Parabel begrenzt werden, die eine Ellipse annähern, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Verlauf der Schallpfade;
Fig. 2 einen schematischen Radialschnitt durch ein Meßrohr ;
Fig. 3 einen Axialschnitt durch das Meßrohr;
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend Fig. 3.
Fig. 1 zeigt die Anordnung der Schallpfade, und zwar a) im Schnitt senkrecht zur Meßrohrachse, b) in Seitenansicht und c) im Grundriß.
Die Schallpfade verlaufen also spiegelbildlich zueinander und liegen in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Meßrohr 1, wobei die Schnittebene senkrecht zur Meßrohrachse liegt.
Das Meßrohr enthält insgesamt vier Ultraschallwandler 2-5, wobei die Ultraschallwandler 2 und 3 ein erstes Paar von Sender/Empfänger und die Ultraschallwandler 4 und 5 ein zweites Paar von Sender/Empfänger bilden. Die Ultraschallwandler 2 und 4 liegen in der Schnittebene, während die Ultraschallwandler 3 und 5 hinter der Zeichenebene angeordnet, jedoch in diese pro- jiziert sind, siehe auch Fig. 3. Für letztere sowie für Fig. 4 gilt, daß sämtliche Ultraschallwandler in die Schnittebene pro- jiziert sind.
Der Ultraschallwandler 2 erzeugt ein divergentes Strahlenbündel, das durch Randstrahlen 6 und 7 sowie eine Mittellinie 8 angedeutet ist. Das Strahlenbündel wird an einer funktionalen Reflexionsfläche 9 auf den Ultraschallwandler 3 fokussiert, allerdings nur in seiner Ausrichtung senkrecht zur Meßrohrachse. Parallel zur Meßrohrachse bleibt die natürliche Divergenz des Strahlenbündels erhalten, siehe Fig. 3, hier dargestellt anhand der Ultraschallwandler 4 und 5, die spiegelbildlich zu den Ultraschallwandlern 2 und 3 angeordnet sind, im übrigen aber entsprechende Schallpfade definieren.
Die Mittellinien 8 der Strahlenbündel bilden in beiden Projektionen eine Dreieckspitze, wobei ihr senkrechter Abstand von der Meßrohrachse dem halben Meßrohrradius entspricht. Dabei erfassen die Strahlenbündel mehr als 90 % des Meßrohrquerschnitts .
In der Projektion nach Fig. 2 wird jede Reflexionsfläche 9 von einer Ellipse 10 begrenzt, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Reflexionsflächen 9 jeweils im Schnittpunkt mit der kleinen Halbachse ihrer Ellipse auf der Innenwand des Meßrohres liegt.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 werden die divergenten Strahlenbündel der Ultraschallwandler zweidimensio- nal fokussiert. Werden dabei die Strahlenbündel strömungsabhän- gig abgelenkt, so wird, wie deutlich aus Fig. 3 ersichtlich, die Fokussierung dadurch nicht beeinflußt. Das Meßgerät kann also bidirektional arbeiten.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die divergenten Strahlenbündel dreidimensional fokussiert werden. Hier ist die Reflexionsfläche 9 nicht nur in ihrer Projektion senkrecht zur Meßrohrachse, sondern auch in ihrer Projektion parallel zur Meßrohrachse gekrümmt. Die Krümmung wird definiert durch eine Ellipse, in deren Brennpunkten die zugehörigen Ultraschallwandler (hier die Ultraschallwandler 4 und 5) angeordnet sind. Die Strahlenbündel fallen also angenähert punktförmig auf die als Empfänger arbeitenden Ultraschallwandler. Käme es unter diesen Bedingungen zu einer strömungsbedingten Auslenkung der Strahlenbündel, so würden die Fokusse die zugehörigen Empfänger verlassen. Dem wird im vorliegenden Fall dadurch entgegengewirkt, daß man die Mittellinien 8 der Strahlenbündel entgegen der Strömungsrichtung um einen Vorhaltewinkel 11 verstellt, der ca. 50 bis 100 % des Ablenkungswinkels beträgt, welcher sich bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ergibt.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So können die Reflexionsflächen sowohl in ihrer senkrechten als auch in ihrer achsparallelen Projektion von einem Kreisbogen oder aber von einer Parabel begrenzt werden, die jeweils eine Ellipse annähern, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares angeordnet sind. Ferner kann die strömungsbedingte Ablenkung der Strahlenbündel bei dreidimensionaler Fokussierung dadurch kompensiert werden, daß man die Fokusse in Schallausbreitungsrichtung vor oder hinter die Ultraschallwandler legt. Die Zahl der eingesetzten Ultraschallwandlerpaare kann erhöht werden, jedoch hat es sich gezeigt, daß die beschriebene, gerätetechnisch besonders günstige Verwendung von vier Ultraschallwandlern bereits Ergebnisse mit mehr als ausreichender Genauigkeit liefert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung von Flui- den in einem Meßrohr, wobei der Ultraschall entlang zweier Schallpfade geleitet wird, die spiegelbildlich zueinander in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres verlaufen und jeweils durch zwei Ultraschallwandler und eine zwischenliegende funktionale Reflexionsfläche definiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ultraschall jeweils als divergentes Strahlenbündel ausgesendet und durch die zugehörigen funktionalen Reflexionsfläche fokussiert wird , wobei die Mittellinie jedes Schallpfades sowohl in einer Projektion senkrecht zur Meßrohrachse als auch in einer Projektion parallel zur Meß- rohrachse eine Dreieckspitze bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die divergenten Strahlenbündel mindestens etwa 90 % des Meßrohrquerschnitts erfassen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schallpfade durch Bereiche des Meßrohrquerschnitts gelegt werden, in denen die gewichteten Mittelwerte der Geschwindigkeitskonstanten k des laminaren und des turbulenten Strömungsprofils im wesentlichen einander gleich und unabhängig von der Reynoldszahl sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gewichteten Mittelwerte der Geschwindigkeitskonstan- ten k des laminaren und des turbulenten Strömungsprofils im wesentlichen gleich 1 sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung der Ultraschallwand- ler innerhalb des Öffnungswinkeis des jeweiligen divergenten Strahlenbündels im wesentlichen gleichförmig ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichent, daß der senkrechte Abstand der Mittellinien der Strahlenbündel von der Achse des Meßrohres im wesentlichen gleich dem halben Meßrohrradius ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall zweidimensional
(zylindrisch) fokussiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall dreidimensional fokus- siert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschall unter einem gegen die Strömungsrichtung des Fluids gerichteten Vorhaltewinkel ausgesendet und re- flektiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorhaltewinkel ca. 50 bis 100 % des bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sich ergebenden Ablen- kungswinkels beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokusse in Schallausbreitungsrichtung vor oder hinter die Ultraschallwandler gelegt werden.
12. Vorrichtung zum Durchführen des Verf hrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit
- einem Meßrohr (1)
- vier Ultraschallwandlern (2-5) , die paarweise in einer gemeinsamen diagonalen Ebene des Meßrohres spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, und - je einer funktionalen Reflexionsfläche (9) zwischen den Ultraschallwandlern (2,3; 4,5) jedes Paares, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß die Ultraschallwandler (2-5) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie divergente Strahlenbündel aussenden, deren Mittellinien (8) sowohl in einer Projektion senkrecht zur Meßrohrachse als auch in einer Projektion parallel zur Meßrohrachse eine Dreieckspitze bilden, und
- daß die Reflexionsflächen (9) als fokussierende Flächen ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt senkrecht zur Meßrohrachse, jeweils von einer Ellipse (10) begrenzt werden, in deren Brennpunkten die
Ultraschallwandler (2,3; 4,5) des zugehörigen Paares liegen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Halbachse der Ellipse (10) an der Innenwand des Meßrohres (1) endet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt senkrecht zur Meßrohrachse, jeweils von einem Kreisbogen oder von einer Parabel begrenzt werden, die eine Ellipse annähern, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da- durch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt parallel zur Meßrohrachse, zusätzlich gekrümmt sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich- net, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt parallel zur Meßrohrachse, jeweils von einer Ellipse begrenzt werden, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Flächen, gesehen im Schnitt parallel zur Meßrohrachse, jeweils von einem Kreisbogen oder von einer Parabel begrenzt werden, die eine Ellipse annähern, in deren Brennpunkten die Ultraschallwandler des zugehörigen Paares liegen.
PCT/EP1997/004225 1996-08-09 1997-08-02 Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung WO1998007006A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT97935565T ATE208888T1 (de) 1996-08-09 1997-08-02 Verfahren und vorrichtung zur ultraschall- durchflussmessung
DE59705401T DE59705401D1 (de) 1996-08-09 1997-08-02 Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung
EP97935565A EP0917645B1 (de) 1996-08-09 1997-08-02 Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19632165.4 1996-08-09
DE19632165A DE19632165A1 (de) 1996-08-09 1996-08-09 Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflußmessung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1998007006A1 true WO1998007006A1 (de) 1998-02-19

Family

ID=7802223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1997/004225 WO1998007006A1 (de) 1996-08-09 1997-08-02 Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0917645B1 (de)
AT (1) ATE208888T1 (de)
DE (2) DE19632165A1 (de)
WO (1) WO1998007006A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19713526A1 (de) * 1997-04-01 1998-10-08 Elster Produktion Gmbh Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflußmessung
EP1255094B1 (de) * 2001-05-04 2010-04-07 Landis+Gyr GmbH Anordnung zur Messung der Fliessgeschwindigkeit eines Mediums
DE102006023479A1 (de) * 2006-05-18 2007-11-22 Siemens Ag Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors
DE102006023478A1 (de) * 2006-05-18 2007-11-22 Siemens Ag Durchflusssensor und Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors
US7942068B2 (en) 2009-03-11 2011-05-17 Ge Infrastructure Sensing, Inc. Method and system for multi-path ultrasonic flow rate measurement
CN105987732A (zh) * 2016-07-28 2016-10-05 重庆前卫克罗姆表业有限责任公司 一种超声波燃气表或流量计反射面的设计方法
CH714430B1 (de) * 2017-12-14 2021-10-15 Stebatec Ag Ultraschall-Durchflussmessvorrichtung mit strömungsoptimiertem Messrohr.
EP3889552B1 (de) 2020-04-03 2023-08-02 SICK Engineering GmbH Durchflussmessgerät

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4555951A (en) * 1984-08-23 1985-12-03 General Motors Corporation Reflective acoustic fluid flow meter
WO1991014925A1 (de) * 1990-03-29 1991-10-03 Siemens Aktiengesellschaft Verbesserung für einen ultraschall-gas-/flüssigkeits-durchflussmesser
WO1995019559A2 (en) * 1994-01-03 1995-07-20 Panametrics, Inc. Ultrasonic transducer system with temporal crosstalk isolation
DE19549162A1 (de) * 1995-01-31 1996-08-01 Danfoss As Ultraschall-Durchflußmesser
DE19503714A1 (de) * 1995-02-04 1996-08-08 Suedrohrbau Gmbh & Co Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8602690A (nl) * 1986-10-27 1988-05-16 Servex Bv Inrichting voor het bepalen van de stromingssnelheid van een medium in een cylindrische leiding.
DE4336368C2 (de) * 1993-10-25 1995-08-03 Siemens Ag Vorrichtung zur Durchflußmessung
ATE200575T1 (de) * 1994-12-02 2001-04-15 Siemens Ag Ultraschall-durchflussmessanordnung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4555951A (en) * 1984-08-23 1985-12-03 General Motors Corporation Reflective acoustic fluid flow meter
WO1991014925A1 (de) * 1990-03-29 1991-10-03 Siemens Aktiengesellschaft Verbesserung für einen ultraschall-gas-/flüssigkeits-durchflussmesser
WO1995019559A2 (en) * 1994-01-03 1995-07-20 Panametrics, Inc. Ultrasonic transducer system with temporal crosstalk isolation
DE19549162A1 (de) * 1995-01-31 1996-08-01 Danfoss As Ultraschall-Durchflußmesser
DE19503714A1 (de) * 1995-02-04 1996-08-08 Suedrohrbau Gmbh & Co Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall

Also Published As

Publication number Publication date
ATE208888T1 (de) 2001-11-15
EP0917645B1 (de) 2001-11-14
DE59705401D1 (de) 2001-12-20
DE19632165A1 (de) 1998-02-12
EP0917645A1 (de) 1999-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0521855B1 (de) Verbesserung für einen ultraschall-gas-/flüssigkeits-durchflussmesser
DE3687772T2 (de) Geraet zur messung der charakteristiken fliessfaehiger stoffe unter verwendung oberflaechenerzeugter volumenuntersuchungssignale.
DE2260932C3 (de) Verfahren zum Bestimmen der RiBtiefe von in Werkstücken auftretenden Rissen
DE2461590C2 (de) Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, sowie Anwendung des Strahlablenkers
WO2012156197A1 (de) Ultraschall-durchflussmessgerät
WO2002044662A1 (de) Durchflussmesser
DE2858092C2 (de) Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung
EP2872857A1 (de) Ultraschall-durchflussmessgerät
DE102014115203B3 (de) Verfahren und Anordnung zur Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessung und Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessung
WO2012156196A1 (de) Ultraschall-durchflussmessgerät
EP0917645B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-durchflussmessung
DE2212746B2 (de) Stroemungsrichter
EP2103912A1 (de) Strömungsmessung mit Ultraschall
DE4336368C2 (de) Vorrichtung zur Durchflußmessung
DE4336369C1 (de) Vorrichtung zur Durchflußmessung
EP3343185B1 (de) Ultraschalldurchflussmessgerät und verfahren zur messung des durchflusses
EP2496915A1 (de) Ultraschallströmungssensor zum einsatz in einem fluiden medium
DE19503714A1 (de) Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall
DE10120355A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflußmessung von Fluiden
DE3911408A1 (de) Messrohr fuer ultraschall-durchflussmessungen
EP0505483A1 (de) Ultraschall-gas-/flüssigkeits-durchflussmesser.
DE10057342A1 (de) Ultraschall-Durchflußmeßgerät
EP0440867A1 (de) Ultraschall-Durchflussmessrohr
DE19717940C2 (de) Ultraschall-Durchflußmeßverfahren
DE4341542C2 (de) Durchflussmessvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1997935565

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1997935565

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 1998509350

Format of ref document f/p: F

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1997935565

Country of ref document: EP