WO2005038407A9 - Vorrichtung zur ankopplung eines auf einer rohrwand anzubringenden ultraschall-clamp-on-messkopfes - Google Patents

Vorrichtung zur ankopplung eines auf einer rohrwand anzubringenden ultraschall-clamp-on-messkopfes

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Mathias Panicke
Bernhard Funck
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Mathias Panicke
Bernhard Funck
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    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Definitions

  • the invention relates to a device for the acoustic coupling of ultrasonic clamp-on fürflußmessköpfen on pipelines high temperature (above 150 0 C).
  • the determination of the flow of liquid and gaseous media is in industry and measurement of far-reaching importance.
  • Ultrasonic clamp-on systems such as described in DE 41 14 233 C2, work completely free of interference.
  • the two ultrasonic measuring heads are strapped onto the pipe wall from the outside and thus have no direct contact with the measuring medium and do not influence the flow.
  • the angle between sound propagation direction and flow direction of the measuring medium is determined by the law of refraction and the angle of incidence and the speed of sound of the measuring head.
  • the transitions between the different materials of the measuring head, the pipe wall and the measuring medium are parallel to each other.
  • Sin S 1 is the same size according to the law of refraction in all involved media i.
  • the measured flow velocity is therefore the quotient
  • the measuring heads are in the aforementioned ultrasonic clamp-on
  • the measuring head adopts the media or pipe temperature due to the direct heat transfer between pipe wall and measuring head.
  • OE 41 24 692 A1 a special measuring head for use on hot objects is described, which is characterized by the use of temperature-resistant materials.
  • the measuring head is also heated accordingly.
  • the associated high thermal stress leads to premature aging and inoperability of the measuring heads, e.g. by depolarizing the piezoceramics commonly used as sound transducers. Even the mentioned measuring heads for hot objects are not permanently able to cope with this strain.
  • the high-temperature probe proposed in US6047602 uses a special waveguide construction for transmitting the Ultrasonic energy in the measuring tube. Shear waves are excited in the waveguide and the pipe wall.
  • the invention has for its object to provide an acoustic coupling
  • FIG. 1 Illustration of the coupling plate between measuring tube and clamp-on measuring head
  • Fig. 2 representation of the temperature profile in the coupling plate.
  • a specially designed coupling plate 2 is inserted between the pipe wall 3 and measuring head 1.
  • the coupling plate consists of an acoustically low-damping material, which has a low heat conduction, preferably stainless steel.
  • the thickness is much smaller than the other dimensions of the plate, preferably between 2 and 7 mm.
  • the effective for the heat transfer between the pipe wall 3 and coupling plate 2 and between the coupling plate 2 and measuring head 1 small areas 4 and 5 allow only a small heat flow. The heat energy removed from the tube therefore remains low.
  • the large side surfaces of the coupling plate carry the majority of the heat fed into the plate. Therefore, a significantly lower temperature than at the pipe coupling surface 4, which assumes the temperature of the pipe wall, is established at the measuring head coupling surface 5.
  • the height of the coupling plate determines the temperature difference between pipe and measuring head coupling surface.
  • the temperature difference between the coupling surfaces leads to a temperature profile within the coupling plate. Due to the small thickness, the temperature is approximately the same in all plate depths. The temperature change within the coupling plate is linked to a speed change of sound. The running in the coupling plate sound path 6 is therefore curved. The quotient effective for flow measurement
  • sin S 1 are only slightly influenced along the entire sound beam path in the coupling plate.
  • the temperature difference between pipe wall and sensor coupling surface to be realized determines the height of the coupling plate and the length of the trapezoidal continuation. If the temperature difference to be achieved is low (70 ° C.), the trapezoidal continuation can be omitted.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ankopplung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflußmessköpfen an ein Messrohr hoher Temperatur. Sie ist dadurch ge­kennzeichnet, dass zwischen Rohrwand (3) und Messkopf (1) eine Koppelplatte (2) geringer Dicke angebracht wird. Die Messkopftemperatur wird durch diese auf den maximal zulässigen Wert gesenkt. Durch die Form der Koppelplatte (2) wird das sich einstellende Temperaturprofil so beeinflusst, dass die Isothermen (7) im Rohrwandbereich parallel zur Rohrwand und im Mes­skopfbereich senkrecht zum Schallweg verlaufen. Dadurch wird der resultierende Messfehler der Durchflussmessung minimiert.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Ankopplung eines auf einer Rohrwand anzubringenden
Ultraschall-Clamp-on-Messkopfes Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Kopplung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflußmessköpfen an Rohrleitungen hoher Temperatur (über 1500C).
Stand der Technik
[0002] Die Bestimmung des Durchflusses flüssiger und gasförmiger Medien ist in Industrie und Messtechnik von weitreichender Bedeutung. Ultraschall- Clamp-on-Systeme, wie z.B. in DE 41 14 233 C2 beschrieben, arbeiten vollständig eingriffsfrei. Bei diesen werden die beiden Ultraschallmessköpfe von außen auf die Rohrwand geschnallt und haben dadurch keinen direkten Kontakt zum Messmedium und beeinflussen die Strömung nicht. Der Winkel zwischen Schallausbreitungsrichtung und Strömungsrichtung des Messmediums wird durch das Brechungsgesetz und den Einstrahlwinkel sowie die Schallgeschwindigkeit des Messkopfes bestimmt. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Materialien des Messkopfes, der Rohrwand und des Messmediums verlaufen parallel zueinander. Das Verhältnis von Schallgeschwindigkeit und Sinus des Einstrahlwinkels
sin S1 ist entsprechend dem Brechungsgesetz in allen beteiligten Medien i gleich groß. Die gemessene Strömungsgeschwindigkeit ist daher dem Quotienten
sin .9, proportional. Er wird durch Material und Geometrie der Messköpfe festgelegt und als Sensorkonstante
K bezeichnet.
[0003] Die Messköpfe sind bei den genannten Ultraschall-Clamp-on-
Durchflußmesssystemen direkt an die Rohrwand gekoppelt. Der Messkopf nimmt durch die direkte Wärmeübertragung zwischen Rohrwand und Messkopf die Medien- bzw. Rohrtemperatur an. In OE 41 24 692 A1 wird ein spezieller Messkopf zur Anwendung an heißen Objekten beschrieben, der durch die Verwendung temperaturbeständiger Materialien gekennzeichnet ist.
[0004] Weist das Messmedium und die Rohrwand sehr hohe Temperaturen z.B. über 200°C auf, wird auch der Messkopf entsprechend erwärmt. Die damit verbundene starke thermische Beanspruchung führt zu vorzeitiger Alterung und zur Funktionsunfähigkeit der Messköpfe, z.B. durch Depolarisation der üblicherweise als Schallwandler verwendeten Piezokeramiken. Auch die genannten Messköpfe für heiße Objekte sind dieser Beanspruchung nicht dauerhaft gewachsen.
[0005] Der in US6047602 vorgeschlagene Hochtemperaturmesskopf verwendet eine spezielle Wellenleiterkonstruktion zur Übertragung der Ultraschallenergie in das Messrohr. Dabei werden im Wellenleiter und der Rohrwand Scherwellen angeregt.
Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Kopplung zu schaffen, die
• eine gute akustische Kopplung zwischen einem üblichen Clamp-on- Messkopf und der Rohrwand gestattet,
• eine deutliche Temperaturdifferenz zwischen Messkopf und Rohrwand gestattet, damit die maximal zulässige Messkopftemperatur nicht überschritten wird,
• einen minimalen zusätzlichen Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit hervorruft.
Technische Lösung
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach
Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008] Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
[0009] Fig. 1 : Darstellung der Koppelplatte zwischen Messrohr und Clamp- on-Messkopf
[0010] Fig. 2: Darstellung des Temperaturverlaufs in der Koppelplatte.
Ausführungsform(en) der Erfindung
[0011] Entsprechend Fig.1 wird zwischen Rohrwand 3 und Messkopf 1 eine speziell gestaltete Koppelplatte 2 eingefügt. Die Koppelplatte besteht aus einem akustisch gering dämpfenden Material, das eine geringe Wärmeleitung aufweist, vorzugsweise Edelstahl. Die Dicke ist sehr viel kleiner als die übrigen Abmessungen der Platte, vorzugsweise zwischen 2 und 7 mm. Die für die Wärmeübertragung zwischen Rohrwand 3 und Koppelplatte 2 sowie zwischen Koppelplatte 2 und Messkopf 1 wirksamen kleinen Flächen 4 und 5 lassen nur einen geringen Wärmestrom zu. Die aus dem Rohr abgeführte Wärmeenergie bleibt daher gering. Die großen Seitenflächen der Koppelplatte führen den Großteil der in die Platte eingespeisten Wärme ab. An der Messkopfkoppelfläche 5 stellt sich daher eine deutlich niedrigere Temperatur als an der Rohrkoppelfläche 4, die die Temperatur der Rohrwand annimmt, ein. Die Höhe der Koppelplatte bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Rohr- und Messkopfkoppelfläche.
[0012] Der Temperaturunterschied zwischen den Koppelflächen führt zu einem Temperaturprofil innerhalb der Koppelplatte. Aufgrund der geringen Dicke ist die Temperatur in allen Plattentiefen näherungsweise gleich groß. Die Temperaturänderung innerhalb der Koppelplatte ist mit einer Schallgeschwindigkeitsänderung verknüpft. Der in der Koppelplatte verlaufende Schallweg 6 ist daher gekrümmt. Der für die Durchflussmessung wirksame Quotient
CPluιd sin $mu,d entspricht dadurch im allgemeinen nicht der Sensorkonstanten k a Für die spezielle Form der in Fig. 2 dargestellten Koppelplatte zeigt sich eine minimale Abweichung des wirksamen Quotienten
C Fluid sin &FI»UI von der Sensorkonstanten. Sie besteht aus einem im wesentlichen rechteckförmigen Bereich zur Ankopplung an das Rohr, der durch eine im wesentlichen trapezförmige Fortsetzung zur Messkopfankopplung ergänzt wird. Zur Begrenzung des Wärmeeintrages vom Rohr in die Koppelplatte steht nur der für die akustische Kopplung verwendete Bereich der Koppelplatte in direktem Kontakt zur Rohrwand. Der übrige Teil des rechteckigen Bereiches zur Ankopplung bestimmt den Temperaturverlauf in der Koppelplatte und wird durch eine Stufe von der Rohrwand abgesetzt. Eine Analyse des Temperaturverlaufs zeigt parallel zueinander und zur Rohrwand verlaufende Isothermen 7 im rechteckförmigen Bereich der Koppelplatte. In diesem Bereich ist das Verhältnis
sin ,9, konstant. Im oberen schräg verlaufenden Teil der Koppelplatte verläuft der Schallstrahl senkrecht zu den Isothermen. Der Schallstrahl wird daher nicht verbogen. Insgesamt wird der für die Strömungsmessung maßgebliche Quotient
sin S1 entlang des gesamten Schallstrahlverlaufs in der Koppelplatte nur geringfügig beeinflusst. Die zu realisierende Temperaturdifferenz zwischen Rohrwand und Sensorkoppelfläche bestimmt die Höhe der Koppelplatte und die Länge der trapezförmigen Fortsetzung. Ist die zu erzielende Temperaturdifferenz gering (700C) kann die trapezförmige Fortsetzung entfallen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Ankopplung eines auf einer Rohrwand anzubringenden Ultraschall-Clamp-on-Messkopfes dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen Rohrwand (3) und Messkopf (1 ) angeordnete Koppelplatte (2) eine solche Formgebung aufweist, dass die Isothermen (7) des sich einstellenden Temperaturprofils im Rohrwandbereich parallel zur Rohrwand (3) und im Messkopfbereich senkrecht zum Schallweg verlaufen und der Übergangsbereich nur eine geringe Ausdehnung besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelplatte (2) eine im wesentlichen rechteckförmige Ausbildung hat und die der Rohrwand (3) zugewandete Seite zur Begrenzung des Wärmeeintrages in die Koppelplatte (2) eine Stufe aufweist, die aus einem der akustischen Kopplung dienenden, direkten Kontakt zur Rohrwand (3) besitzenden Bereich (4) und einem abgesetzten, nicht in direktem Kontakt mit der Rohrwand stehenden Bereich besteht.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der recheckige Bereich der Koppelplatte (2) sich in einen im wesentlichen trapezförmigen Bereich in Richtung der Schallabstrahlung zur Ankopplung an den Messkopf (1 ) fortsetzt.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelplatte (2) eine solche Dicke aufweist, dass die Temperatur in allen Plattentiefen näherungsweise gleich groß ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Koppelplatte (2) wesentlich geringer als ihre Breite und Höhe ist.
PCT/EP2004/052482 2003-10-13 2004-10-08 Vorrichtung zur ankopplung eines auf einer rohrwand anzubringenden ultraschall-clamp-on-messkopfes WO2005038407A2 (de)

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