WO2021083654A1 - Messeinrichtung und verfahren zur ermittlung eines drucks - Google Patents

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WO2021083654A1
WO2021083654A1 PCT/EP2020/078647 EP2020078647W WO2021083654A1 WO 2021083654 A1 WO2021083654 A1 WO 2021083654A1 EP 2020078647 W EP2020078647 W EP 2020078647W WO 2021083654 A1 WO2021083654 A1 WO 2021083654A1
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WO
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vibration transducer
pressure
measuring
measuring container
additional
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/078647
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Wetzel
Original Assignee
Diehl Metering 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.)
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Publication date
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Publication of WO2021083654A1 publication Critical patent/WO2021083654A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for determining a pressure in a measuring container receiving a fluid or through which the fluid flows, a vibration transducer of the measuring device being arranged on the measuring container, a control device of the measuring device being set up to activate the vibration transducer to excite a wave in the fluid the vibration transducer is set up and arranged on the measuring container in such a way that the wave is guided along a propagation path back to the vibration transducer or to at least one further vibration transducer of the measuring device arranged on the measuring container, the control device being set up to measure the transit time of the wave to detect along the propagation path to the further vibration transducer or transducers and to determine the pressure in the measuring container as a function of the transit time.
  • a method for determining the pressure of a fluid that does not require any additional sensors when used in an ultrasonic flow meter is known from the document DE 102017005207 A1.
  • the transit time of an ultrasonic wave from a transmitting to a receiving ultrasonic transducer is recorded for two different excitation frequencies.
  • the pressure in the fluid can be determined as a function of the difference between these transit times. Since the difference between two sequential measurements is evaluated, even slight pressure or
  • the invention is therefore based on the object of specifying an approach, which is improved in comparison, for determining a pressure, which in particular is less prone to failure and can nevertheless be implemented with little technical effort.
  • the object is achieved by a measuring device of the type mentioned at the outset, the and / or the further vibration transducer being movably mounted on the measuring container in such a way that, when the pressure in the measuring container increases, against a
  • Restoring force are shifted with respect to the measuring container, whereby the length of the propagation path and thus the running time change depending on the pressure in the measuring container.
  • the invention is based on the idea that with a movable mounting of the vibration transducer or the further vibration transducer against a restoring force, the latter is increasingly pressed further out of the measuring container as the pressure in the measuring container increases.
  • the propagation path is lengthened at least approximately by the same distance by which the vibration transducer or the further vibration transducer are shifted, a clearer one can thus be achieved
  • Relationship between the pressure and the length of the propagation path can be specified or determined as part of a calibration. For displacements that are not too large, a linear relationship can occur in particular. If it is initially assumed that the speed of sound of the wave in the fluid is independent of pressure, this change in length of the propagation path also leads to a change in the transit time proportional to the change in length. Thus, in the simplest case, it can approximately be assumed that a change in transit time is linearly related to a change in pressure under otherwise identical conditions. The accuracy of the pressure measurement can be further increased if non-linearities are also taken into account, for example with the aid of a previous calibration that is used to fill a look-up table, or by parameterizing a mathematical model, for example by regression analysis of measurement data.
  • further parameters can be taken into account that can influence the running time. For example, how will be explained in more detail later, temperatures are taken into account or the influence of a flow velocity is compensated.
  • the control device of the measuring device can in particular be set up to determine the pressure as a function of precisely one transit time, since a transit time can already be recognized on the basis of this when the propagation path has lengthened under otherwise identical conditions.
  • the pressure can be determined, for example, as a function of a sum or an average value of several, in particular precisely two, transit times.
  • a respective transit time for a propagation from the vibration transducer to the further vibration transducer and vice versa can be determined and the transit times can be summed up or their average be calculated. In this way, the influence of a flow velocity of the fluid can be at least approximately eliminated.
  • the control device can be set up to additionally determine a further transit time from the further vibration transducer to the vibration transducer and to determine the pressure as a function of the transit time and the further transit time.
  • a further transit time from the further vibration transducer to the vibration transducer and to determine the pressure as a function of the transit time and the further transit time.
  • Measurement in flow meters should be possible without additional energy expenditure, since transit times for both directions of propagation have to be measured in any case to determine a transit time difference used in the context of determining the flow rate.
  • a transit time difference used in the context of determining the flow rate.
  • a respective contact surface of the vibration transducer and / or the further vibration transducer can be in contact with the fluid in the measuring container and a side surface of the vibration transducer and / or the further vibration transducer opposite the respective contact surface can be with the air surrounding the measuring device or with a reference volume in which a predetermined reference pressure prevails, be in contact, the vibration transducer and / or the further vibration transducer being mounted at an angle, preferably perpendicular, to be displaceable to the respective contact surface. For example, if the contact surface and the opposite side surface are approximately the same size, a force acts on the respective vibration transducer which corresponds to the product of this surface and the pressure difference between the pressure in the measuring container and the reference pressure or the ambient pressure.
  • the side surface opposite the contact surface can in particular be accommodated in a housing, but this is not completely airtight, so that the pressure in the interior of the housing essentially corresponds to the ambient pressure.
  • An elastically deformable restoring element in particular a spring, can be arranged between the vibration converter and / or the further vibration converter and a bearing area of the measuring container on which the vibration converter and / or the further vibration converter is mounted. The restoring element can act on the vibration transducer or the further vibration transducer with the restoring force.
  • a known measuring device can be modified by a slight mechanical modification, namely the mounting of the vibration transducer or the further vibration transducer not directly on a bearing area, but via a deformable resetting element, in such a way that the pressure determination explained above is made possible.
  • the procedure according to the invention can thus be implemented with little technical effort.
  • the measuring device can additionally comprise at least one temperature sensor for detecting a temperature of the fluid, the control device being set up to additionally determine the pressure as a function of the temperature.
  • the speed of sound in the fluid is typically temperature-dependent, which means that the relationship between the measured transit time and the length of the propagation path is also temperature-dependent.
  • the temperature influence on the pressure measurement can be essentially fully compensated and thus a good measurement accuracy for the pressure can be achieved.
  • sufficient measurement accuracy is achieved even without a corresponding temperature compensation.
  • the speed of sound in water only varies by approx. 11% in the temperature range between 0 ° C and 70 ° C.
  • Pressure measurements with a maximum error of ⁇ 5.5% are thus possible even without knowledge or consideration of the water temperature. For many applications this is already sufficient, so that temperature detection in the measuring device according to the invention is not necessary, but can be used advantageously in order to further reduce possible errors.
  • An additional vibration transducer of the measuring device can be arranged on the measuring container, wherein the control device is set up to control the additional vibration transducer to excite an additional wave in the fluid, the additional vibration transducer set up in this way and on the measuring container it is arranged that the additional wave is guided along an additional propagation path back to the additional vibration converter or to at least one additional additional vibration converter of the measuring device arranged on the measuring container, the control device being set up to detect the transit time of the additional wave along the additional propagation path to the additional additional vibration converter (s) and to additionally determine the pressure as a function of this transit time of the additional wave, the additional vibration converter and / or the further additional vibration converter being rigidly arranged on the measuring container.
  • the propagation path and the additional propagation path form a respective measurement section. The additional use of the additional vibration converter or the additional vibration converter thus provides an additional measurement section.
  • measuring sections in measuring devices, in particular in ultrasonic flow meters, is known in principle. For example, this can be used to carry out a redundant measurement or to reduce a measurement error, for example by averaging several measurements.
  • the measuring sections or the propagation path and the additional propagation path can run at an angle to one another, in particular perpendicular to one another.
  • the vibration transducers can be arranged on opposite sides of the measuring container or measuring tube and the
  • Additional vibration transducers can be arranged offset to the vibration transducers in the circumferential direction, in particular by 90 °.
  • a corresponding structure is modified to provide a measuring device according to the invention in such a way that a movable one for one of the measuring sections
  • both additional vibration transducers are preferably rigidly arranged on the measuring container for a further measuring section, so that the length of the additional propagation path is at least approximately independent of the pressure in the measuring volume.
  • the measurement of the transit time of the additional wave can thus serve as a reference measurement in which the propagation path is not pressure-dependent.
  • the same measurement geometry can be selected for the propagation path and the additional propagation path, that is to say for both measurement sections, or the measurement geometry can be selected in such a way that, for a given reference pressure, for example at normal pressure, the transit time determined for the wave and the transit time determined for the additional wave are essentially the same. Remaining differences, for example due to component tolerances, can be compensated for by a previous calibration.
  • control device can be set up to determine the pressure as a function of a transit time difference between the transit time of the wave and the transit time of the additional wave. This is particularly advantageous if, as explained above, at a certain reference pressure the difference in transit time between these transit times is at least approximately zero.
  • the speed of sound v is also known, so that the change s x in the length of the propagation path can be calculated with high accuracy from the transit time difference.
  • the pressure can then be calculated from this. This can be done, for example, with the aid of a look-up table, in particular via interpolation. In many cases, however, a simple mathematical model is sufficient. For example, with a spring-loaded mounting of the vibration transducer or the further vibration transducer, at least approximately a linear relationship between the deflection and thus the extension of the propagation path and the force acting on the vibration transducer or the further vibration transducer due to the pressure, which in turn is proportional to the pressure to be assumed.
  • the invention relates to a method for determining a pressure in a fluid receiving or from the fluid flow through measuring container, wherein a vibration transducer of the measuring device is arranged on the measuring container, wherein the vibration transducer is controlled by a control device of the measuring device to excite a wave in the fluid, the wave along a propagation path back to the vibration transducer or to at least one arranged on the measuring container Another vibration transducer of the measuring device is performed, the control device detecting the transit time of the wave along the propagation path to the further vibration transducer or transducers and determining the pressure in the measuring container as a function of the transit time, the and / or the further vibration transducer being movable on the measuring container are stored, so that when the pressure in the measuring container increases, they are displaced against a restoring force with respect to the measuring container, whereby the length of the propagation path and thus the running time are dependent on the pressure in the measuring container change older.
  • the pressure can thus be determined as a
  • the method according to the invention can be developed further with the features explained above for the measuring device according to the invention with the advantages mentioned there.
  • a measuring device according to the invention can be used to carry out the method.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measuring device according to the invention, by means of which an embodiment of the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 2 shows a detailed view of the measuring device shown in FIG. 1 for a higher pressure in the measuring container
  • FIG Fig. 3 shows a further embodiment of an inventive
  • Measuring device with which a further exemplary embodiment of the method according to the invention can be carried out.
  • 1 shows a measuring device 1 which is used to detect a pressure and, in the example, additionally a flow rate of a fluid.
  • the fluid is fed to a measuring container 4 via a fluid inlet 2 and then discharged via a fluid outlet 3.
  • a vibration transducer 6 and a further vibration transducer 7 are arranged on a wall 11 of the measuring container 4 and can be excited to vibrate by a control device 19 in order to couple a shaft 8 into the fluid.
  • vibrations of the vibration transducers 6, 7 excited by an incoming shaft 8 can be detected by the control device 19 in order to detect a transit time of the shaft 8 from the vibration transducer 6 to the further vibration transducer 7 or vice versa.
  • a U-shaped radiation profile is used in which the shaft 8 is deflected by the ultrasonic mirror 10 in order to guide it essentially parallel to the direction of flow of the fluid.
  • Such a procedure is known in principle for determining a flow velocity or a throughflow from the transit time difference between the two directions of propagation of the wave 8 and should therefore not be explained in detail.
  • the measuring device 1 or the measuring container 4 with the vibration transducers 6, 7 arranged thereon differ from the usual structure of flow meters in that the vibration transducers 6, 7 are movably mounted on the wall 11 of the measuring container 4, so that they can be moved when the pressure increases can be moved in the measuring container 4 against a restoring force with respect to the measuring container 4.
  • this is achieved in that the vibration transducers 6, 7 are mounted on a bearing area 12 of the measuring container 4 or the wall 11 via restoring elements 13, for example springs.
  • the effect of this storage is shown schematically in the detailed view shown in FIG. 2. It is assumed here that in the case shown in FIG. 2 the pressure in the measuring container 4 is higher than in the case shown in FIG.
  • the displacement of the vibration transducers 6, 7 results from the fact that the pressure on a contact surface 14 of the vibration transducer, which is in contact with the fluid in the measuring container 4, and on a side surface 15 opposite this is different. It is advantageous here if the pressure on the side surface 15 is essentially constant. This can be achieved in that a predetermined reference pressure prevails in a reference volume 20. Typically, however, it is sufficient if the ambient pressure prevails in the reference volume 20, which can be achieved, for example, in that a gas exchange between the reference volume 20 and the environment is possible with little flow resistance. Since the ambient pressure of the air surrounding the measuring device 1 typically varies considerably less than the pressure fluctuations to be determined, sufficient accuracy of the pressure measurement can be achieved in this way.
  • the transit time of the wave 8 along the propagation path 9 from the vibration converter 6 to the further vibration converter 7 additionally depends on further parameters, in particular on a temperature of the fluid and a flow velocity.
  • a temperature of the fluid in the measuring container 4 is additionally determined via a temperature sensor 21 and is taken into account by the control device 19 when determining the pressure.
  • the speed of sound in the fluid can be determined as a function of the temperature, which is taken into account when determining the displacement path 18 or the pressure from the transit time.
  • a flow velocity can be determined from a transit time difference of the transit time of the shaft 8 from the vibration converter 6 to the further vibration converter 7 and vice versa, and an influence of this on the transit time of the shaft 8 can be taken into account when determining the pressure.
  • the influence of the flow velocity can preferably be eliminated directly.
  • Vibration converter 7 can be detected back to the vibration converter 6. If the sum of the running time and the further running time or the average value of these running times is now taken into account in the pressure calculation, the influence of the flow velocity on the running time and the further running time cancel each other out, so that the pressure determination is at least approximately independent of the flow speed.
  • the measuring device 1 discussed with reference to FIGS. 1 and 2 makes it possible to determine the pressure in the measuring container 4 with high accuracy.
  • all of the described components are already present at least in some flow meters, so that the additional possibility of pressure measurement can be achieved through a relatively simple mechanical modification and a corresponding software change.
  • the third shows a measuring device which uses two measuring sections.
  • the first measuring section is formed by the vibration transducers 6, 7, which are angled to the wall 11 of the Measuring container 4 or a measuring tube used as a measuring container 4 are arranged, with which the shaft 8 radiates through the fluid along a diagonal propagation path 9.
  • the second measuring section is formed by the additional vibration transducers 22, 23, which are offset in the circumferential direction of the measuring container 4 with respect to the vibration transducers 6, 7.
  • the additional oscillation converters 22, 23 are thus arranged in front of and behind the image plane in FIG. 3.
  • the additional wave 25 also radiates through the fluid along a diagonal additional propagation path 5 which runs at an angle to the image plane in FIG. 3. This results in two measuring sections with mutually angled propagation paths 5, 9 of the respective wave 8, 24.
  • the two measuring sections can serve, for example, to enable redundant measurement or to reduce the influence of the flow profile on a measurement, for example on a flow measurement.
  • the vibration transducers 6, 7 are movably mounted on the wall 11 in order to enable a pressure measurement, as has already been explained above.
  • the additional vibration transducers 22, 23 are arranged rigidly on the measuring container 4 or the wall 11, as a result of which, as will be explained later, the measuring accuracy can be improved.
  • the measuring device 1 essentially corresponds to the measuring device 1 already explained above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the displacement path 18 of the vibration transducers 6, 7, in contrast to the measuring device 1 discussed above, is not perpendicular to the direction of flow. If the measuring device 1 is thus also to be used to determine a flow velocity or a flow volume, the displacement path 18 also leads to a change in the transit time difference between the two directions of propagation and thus to a pressure-dependent error in the determination of the flow velocity or the flow volume. With an assumed sound path of 10 cm and a deflection of 0.1 mm, the error resulting from this is, however, less than 0.1% and can therefore be accepted without any problems in most applications to enable the additional pressure measurement. Since the dependency of this error on the pressure is also known, the corresponding error can also be essentially completely corrected by a subsequent correction. Since the additional vibration transducers 22, 23 are also arranged rigidly on the measuring container 4, the problem does not arise for the further measuring section, as a result of which the error can be further reduced.
  • the diagonal arrangement of the displacement path 18 also means that, contrary to the explanations relating to FIG. 1, the influence of the flow velocity cannot be completely eliminated by adding transit times for both directions of propagation along the propagation path 9. However, since there are two measuring sections in FIG. 3, the approach explained below can be used instead.
  • the additional vibration transducers 22 are used to excite an additional wave 24, which along the additional propagation path 5 to the further vibration transducers 22.
  • Additional vibration converter 23 is performed in order to determine the running time of the additional shaft 24. Since the additional vibration transducers 22, 23, in contrast to the vibration transducers 6, 7, are rigidly arranged on the measuring container 4, the length of the additional propagation path 5 is independent of the pressure in the measuring container 4.
  • the measurement geometry of the propagation path 9 and the additional propagation path 5 are at least approximately identical , so that at a certain reference pressure the transit time of the wave 8 along the propagation path 9 is equal to the transit time of the additional wave 24 along the additional propagation path 5. If, on the other hand, the pressure in the measuring container 4 increases, the propagation path 9 is lengthened due to the movement of the vibration transducers 6, 7, while the length of the additional propagation path 5 remains unchanged due to the rigid arrangement of the vibration transducers 22, 23.
  • the difference between the transit time of the shaft 8 and the transit time of the additional shaft 24 thus represents a good measure of the pressure of the fluid and is at least approximately independent of the flow velocity of the fluid.
  • a measuring device with two measuring sections can be used, which has vibration transducers 6, 7 arranged perpendicular to the wall 11.
  • the additional vibration transducers 22, 23 are preferably also perpendicular to the wall 11 arranged.

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Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler (6) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter (4) zu ermitteln, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler (6, 7) derart beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.

Description

Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Drucks
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter, wobei an dem Messbehälter ein Schwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler zur Anregung einer Welle in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler derart eingerichtet und an dem Messbehälter angeordnet ist, dass die Welle entlang eines Ausbreitungspfades zurück zu dem Schwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Schwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle entlang des Ausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter zu ermitteln.
In vielen Anwendungsfällen kann es gewünscht sein, einen Druck eines Fluids zu erfassen. Daher ist es prinzipiell bekannt, Durchflusszähler durch eine zusätzliche Sensorik zur Druckmessung zu erweitern. Eine Verwendung separater Sensoren zur Druckmessung erhöht jedoch die Komplexität des Durchflusszählers. Dies kann zu einem höheren Bauraumverbrauch, zu höheren Kosten und/oder zu einem höheren Energieverbrauch führen.
Ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks eines Fluids, das bei einer Nutzung in einem Ultraschalldurchflusszähler keine zusätzlichen Sensoren benötigt, ist aus der Druckschrift DE 102017005207 A1 bekannt. Hierbei wird eine Laufzeit einer Ultraschallwelle von einem sendenden zu einem empfangenden Ultraschallwandler für zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen erfasst. In Abhängigkeit der Differenz dieser Laufzeiten kann der Druck im Fluid ermittelt werden. Da die Differenz zweier sequentieller Messungen ausgewertet wird, können bereits geringfügige Druck- bzw.
Durchflussmengenänderungen zwischen den Messintervallen zu einer relativ starken Störung der Messung führen, womit zumindest in einigen Anwendungsfällen der ermittelte Druck stark rauschbehaftet ist. Zudem kann es nachteilig sein, dass verschiedene Anregungsfrequenzen genutzt werden müssen. Beispielsweise können typischerweise nicht für beide Messungen Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler genutzt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Ansatz zur Ermittlung eines Drucks anzugeben, der insbesondere weniger störanfällig ist und dennoch mit geringem technischen Aufwand implementiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler derart beweglich an dem Messbehälter gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter gegen eine
Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter ändern. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass bei einer beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers gegen eine Rückstellkraft dieser bei zunehmendem Druck im Messbehälter zunehmend weiter aus diesem herausgepresst wird. Da sich jedoch der Ausbreitungspfad zumindest näherungsweise um eben jene Distanz verlängert, um die der Schwingungswandler bzw. der weitere Schwingungswandler verschoben werden, kann somit ein klarer
Zusammenhang zwischen dem Druck und Länge des Ausbreitungspfades angegeben bzw. im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden. Für nicht allzu große Verschiebungen kann hierbei insbesondere ein linearer Zusammenhang auftreten. Wird zunächst davon ausgegangen, dass die Schallgeschwindigkeit der Welle im Fluid druckunabhängig ist, führt diese Längenänderung des Ausbreitungspfades jedoch auch zu einer zur Längenänderung proportionale Änderung der Laufzeit. Somit kann im einfachsten Fall näherungsweise davon ausgegangen werden, dass eine Laufzeitänderung bei ansonsten gleichen Bedingungen linear mit einer Druckänderung zusammenhängt. Die Genauigkeit der Druckmessung kann weiter erhöht werden, wenn auch Nichtlinearitäten berücksichtigt werden, beispielsweise mit Hilfe einer vorangehenden Kalibrierung, die zur Befüllung einer Look-up-Tabelle genutzt wird, oder durch Parametrisierung eines mathematischen Modells, beispielsweise durch Regressionsanalyse von Messdaten. Hierbei können insbesondere weitere Parameter berücksichtigt werden, die die Laufzeit beeinflussen können. Beispielsweise können, wie später noch genauer erläutert werden wird, Temperaturen berücksichtigt bzw. der Einfluss einer Strömungsgeschwindigkeit kompensiert werden.
Im Rahmen von Versuchsmessungen wurde erkannt, dass beispielsweise bereits eine Auslenkung eines Schwingungswandlers um 0,1 mm zu einer Laufzeitänderung führen kann, die mehreren hundert Zyklen des Zeitzählers im Versuchsaufbau entspricht. Insbesondere bei Messeinrichtungen, die dazu dienen, Laufzeitunterschiede zwischen zwei Ausbreitungsrichtungen zu erfassen, sind typischerweise ohnehin bereits ausreichend genaue Zeitzähler vorhanden, die zusätzlich zur Druckbestimmung genutzt werden können. Da die gefederte Lagerung zudem typischerweise zu keinem oder nur einem vernachlässigbaren Fehler bezüglich der Messung der Laufzeitdifferenz im Rahmen der Durchflussmessung führt, ist problemlos eine Druck- und Durchflussmessung mit den gleichen Schwingungswandlern möglich. Bei einem U-förmigen Strahlengang, bei dem eine Ultraschallwelle senkrecht zu einer Rohrwand in einem Messrohr, also den Messbehälter, eingestrahlt wird, durch einen Ultraschallspiegel im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung umgelenkt wird, durch einen weiteren Ultraschallspiegel wiederum umgelenkt wird und durch den weiteren Ultraschallwandler empfangen wird, führt eine entsprechende Verschiebung zu keinem Fehler der Laufzeitdifferenz, da die Laufzeit für beide Ausbreitungsrichtungen um den gleichen Betrag verlängert wird. Bei einer diagonalen Durchstrahlung des Messbehälters treten zwar geringe Messfehler auf, diese liegen jedoch bei einem angenommenen Schallweg von 10 cm und einer Auslenkung von 0,1 mm bei weniger als 0,1 %. Da zudem bekannt ist, welcher Druck und somit welche Auslenkung zu welchem Fehler führt, kann ein entsprechender Fehler zudem im Rahmen der anschließenden Datenverarbeitung im Wesentlichen vollständig korrigiert werden.
Die Steuereinrichtung der Messeinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Druck in Abhängigkeit genau einer Laufzeit zu ermitteln, da anhand dieser einen Laufzeit bereits erkannt werden kann, wenn sich der Ausbreitungspfad bei ansonsten gleichen Bedingungen verlängert hat. Alternativ kann der Druck beispielsweise in Abhängigkeit einer Summe oder eines Durchschnittswertes von mehreren, insbesondere von genau zwei, Laufzeiten ermittelt werden. Insbesondere kann eine jeweilige Laufzeit für eine Ausbreitung von dem Schwingungswandler zum weiteren Schwingungswandler und umgekehrt ermittelt werden und die Laufzeiten können summiert bzw. ihr Durchschnitt berechnet werden. Hierdurch kann der Einfluss einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest näherungsweise eliminiert werden.
Wenn sich der Ausbreitungspfad von dem Schwingungswandler zu dem weiteren Schwingungswandler erstreckt, kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, zusätzlich eine weitere Laufzeit von dem weiteren Schwingungswandler zu dem Schwingungswandler zu ermitteln und den Druck in Abhängigkeit der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln. Wie obig erläutert kann durch Summenbildung, Durchschnittsbildung oder Ähnliches ein Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids unterdrückt oder sogar eliminiert werden. Hierbei kann eine entsprechende
Messung beispielsweise in Durchflusszählern ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich sein, da zur Ermittlung einer im Rahmen der Durchflussgeschwindigkeitsermittlung genutzten Laufzeitdifferenz ohnehin Laufzeiten für beide Ausbreitungsrichtungen gemessen werden müssen. Somit kann anhand der gleichen Laufzeiten einerseits in Abhängigkeit ihrer Differenz ein Durchfluss und andererseits in Abhängigkeit ihrer Summe ein Druck ermittelt werden oder Ähnliches.
Eine jeweilige Kontaktfläche des Schwingungswandlers und/oder des weiteren Schwingungswandlers kann mit dem Fluid im Messbehälter in Kontakt sein und eine der jeweiligen Kontaktfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Schwingungswandlers und/oder des weiteren Schwingungswandlers kann mit der die Messeinrichtung umgebenden Luft oder mit einem Referenzvolumen, in dem ein vorgegebener Referenzdruck herrscht, in Kontakt sein, wobei der Schwingungswandler und/oder der weitere Schwingungswandler gewinkelt, vorzugsweise senkrecht, zur jeweiligen Kontaktfläche verschiebbar gelagert sind. Sind beispielsweise die Kontaktfläche und die gegenüberliegende Seitenfläche ungefähr gleich groß, wirkt auf den jeweiligen Schwingungswandler eine Kraft, die dem Produkt aus dieser Fläche und dem Druckunterschied zwischen dem Druck im Messbehälter und dem Referenzdruck bzw. dem Umgebungsdruck entspricht. Für einen Großteil der Messaufgaben können Schwankungen des Umgebungsdrucks vernachlässigt werden, da diese erheblich kleiner sind als die zu erwartenden Druckänderungen im Messbehälter. Die der Kontaktfläche gegenüberliegende Seitenfläche kann insbesondere zwar in einem Gehäuse aufgenommen sein, das jedoch nicht vollständig luftdicht ist, so dass der Druck im Inneren des Gehäuses im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht. Zwischen dem Schwingungswandler und/oder dem weiteren Schwingungswandler und einem Lagerbereich des Messbehälters, an dem der Schwingungswandler und/oder der weitere Schwingungswandler gelagert ist, kann ein elastisch verformbares Rückstellelement, insbesondere eine Feder, angeordnet sein. Durch das Rückstellelement kann der Schwingungswandler bzw. der weitere Schwingungswandler mit der Rückstellkraft beaufschlagt werden. Somit kann eine an sich bekannte Messeinrichtung durch eine geringfügige mechanische Modifikation, nämlich die Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers nicht direkt an einem Lagerbereich, sondern über ein verformbares Rückstellelement, derart modifiziert werden, dass die obig erläuterte Druckermittlung ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Vorgehen ist somit mit geringem technischen Aufwand umsetzbar.
Die Messeinrichtung kann zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des Fluids umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Druck zusätzlich in Abhängigkeit der T emperatur zu ermitteln. Dies ist vorteilhaft, da die Schallgeschwindigkeit im Fluid typischerweise temperaturabhängig ist, womit auch der Zusammenhang zwischen der gemessenen Laufzeit und der Länge des Ausbreitungspfades temperaturabhängig ist. Durch Nutzung eines Temperatursensors und eines vorgegebenen Zusammenhangs zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit zur Kompensation dieses Effekts bzw. eine vorangehende
Kalibriermessung kann der Temperatureinfluss auf die Druckmessung im Wesentlichen vollständig kompensiert werden und somit eine gute Messgenauigkeit für den Druck erreicht werden. In vielen Anwendungsfällen wird jedoch auch ohne eine entsprechende Temperaturkompensation eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht. Beispielsweise variiert die Schallgeschwindigkeit in Wasser im Temperaturbereich zwischen 0° C und 70° C lediglich um ca. 11 %. Selbst ohne Kenntnis bzw. Berücksichtigung der Wassertemperatur sind somit Druckmessungen mit einem Fehler von maximal ± 5,5 % möglich. Für viele Anwendungsfälle ist dies bereits ausreichend, so dass eine Temperaturerfassung in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nicht notwendig ist, jedoch vorteilhaft genutzt werden kann, um mögliche Fehler weiter zu reduzieren.
An dem Messbehälter kann ein Zusatzschwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet sein, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Zusatzschwingungswandler zur Anregung einer Zusatzwelle in dem Fluid anzusteuern, wobei der Zusatzschwingungswandler derart eingerichtet und an dem Messbehälter angeordnet ist, dass die Zusatzwelle entlang eines Zusatzausbreitungspfades zurück zu dem Zusatzschwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Zusatzschwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Zusatzwelle entlang des Zusatzausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Zusatzschwingungswandler zu erfassen und den Druck zusätzlich in Abhängigkeit dieser Laufzeit der Zusatzwelle zu ermitteln, wobei der Zusatzschwingungswandler und/oder der weitere Zusatzschwingungswandler starr an dem Messbehälter angeordnet sind. Der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad bilden eine jeweilige Messtrecke. Durch die zusätzliche Nutzung des bzw. des weiteren Zusatzschwingungswandlers wird somit eine zusätzliche Messstrecke bereitgestellt.
Die Nutzung mehrerer Messstrecken in Messeinrichtungen, insbesondere in Ultraschalldurchflusszählern, ist prinzipiell bekannt. Beispielsweise kann dies genutzt werden, um eine redundante Messung durchzuführen bzw. einen Messfehler, beispielsweise durch Durchschnittsbildung von mehreren Messungen, zu reduzieren. Beispielsweise können die Messstrecken bzw. können der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad gewinkelt zueinander, insbesondere senkrecht zueinander verlaufen. Beispielsweise können die Schwingungswandler an gegenüberliegenden Seiten des Messbehälters bzw. Messrohrs angeordnet sein und die
Zusatzschwingungswandler können in Umfangsrichtung, insbesondere um 90°, versetzt zu den Schwingungswandlern angeordnet sein.
Ein entsprechender Aufbau wird zur Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung derart modifiziert, dass für eine der Messstrecken eine bewegliche
Lagerung wenigstens eines der Schwingungswandler erfolgt, so dass wie obig erläutert die Länge des Ausbreitungspfades für diese Messstrecke und somit die Laufzeit von dem Druck abhängt. Zugleich werden für eine weitere Messtrecke vorzugsweise beide Zusatzschwingungswandler starr an dem Messbehälter angeordnet, so dass die Länge des Zusatzausbreitungspfades zumindest näherungsweise unabhängig von dem Druck im Messvolumen ist. Somit kann die Messung der Laufzeit der Zusatzwelle als Referenzmessung dienen, bei der der Ausbreitungspfad nicht druckabhängig ist. Insbesondere kann für den Ausbreitungspfad und den Zusatzausbreitungspfad, also für beide Messstrecken, die gleiche Messgeometrie gewählt werden bzw. die Messgeometrie kann so gewählt werden, dass bei einem vorgegebenen Referenzdruck, beispielsweise bei Normaldruck, die für die Welle ermittelte Laufzeit und die für die Zusatzwelle ermittelte Laufzeit im Wesentlichen gleich sind. Verbleibende Unterschiede, beispielsweise aufgrund von Bauteiltoleranzen, können durch eine vorangehende Kalibrierung kompensiert werden.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, den Druck in Abhängigkeit einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle und der Laufzeit der Zusatzwelle zu ermitteln. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn wie obig erläutert, bei einem bestimmten Referenzdruck der Laufzeitunterschied zwischen diesen Laufzeiten zumindest näherungsweise Null ist. Die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle und der Laufzeit der Zusatzwelle ist somit ein Maß für die Abweichung des tatsächlichen Drucks von diesem Referenzdruck. Wird beispielsweise die Messgeometrie so gewählt, dass der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad bei dem Referenzdruck die gleiche Länge s aufweisen, resultiert für die Zusatzwelle unter Annahme einer druckunabhängigen Schallgeschwindigkeit v unabhängig vom Druck im Messbehälter die Referenzlaufzeit to = s/v. Aufgrund der beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers resultiert hingegen eine Änderung sx der Länge des Ausbreitungspfades, so dass die Laufzeit für die Welle ti als ti = (s + sx)/v berechnet werden kann. Die Laufzeitdifferenz ti - to entspricht somit dem Quotienten aus der Änderung sx der Länge des Ausbreitungspfades und der Schallgeschwindigkeit v.
Ist das Fluid bekannt bzw. kann es bzw. seine Zusammensetzung ermittelt werden, ist auch die Schallgeschwindigkeit v bekannt, so dass aus der Laufzeitdifferenz mit hoher Genauigkeit die Änderung sx der Länge des Ausbreitungspfades berechnet werden kann. Aus dieser kann anschließend der Druck berechnet werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Look-up-Tabelle, insbesondere über eine Interpolation, erfolgen. In vielen Fällen ist jedoch ein einfaches mathematisches Modell ausreichend. Beispielsweise kann bei einer gefederten Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers zumindest näherungsweise von einem linearen Zusammenhang zwischen der Auslenkung und somit der Verlängerung des Ausbreitungspfades und der auf den Schwingungswandler bzw. den weiteren Schwingungswandler wirkenden Kraft aufgrund des Druckes, die wiederum proportional zum Druck ist, ausgegangen werden.
Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter, wobei an dem Messbehälter ein Schwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei durch eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung der Schwingungswandler zur Anregung einer Welle in dem Fluid angesteuert wird, wobei die Welle entlang eines Ausbreitungspfades zurück zu dem Schwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Schwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei durch die Steuereinrichtung die Laufzeit der Welle entlang des Ausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler erfasst und in Abhängigkeit der Laufzeit der Druck in dem Messbehälter ermittelt wird, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler beweglich an dem Messbehälter gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Druck im Messbehälter gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter ändern. Der Druck kann somit in Abhängigkeit der Änderung der Länge des Ausbreitungspfades aufgrund des Drucks im Messbehälter und der beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den vorangehend zur erfindungsgemäßen Messeinrichtung erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden. Insbesondere kann zur Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Messeinrichtung verwendet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen diskutiert. Hierbei zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, durch die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführbar ist,
Fig. 2 eine Detailansicht der in Fig. 1 gezeigten Messeinrichtung für einen höheren Druck im Messbehälter, und Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Messeinrichtung, mit der ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist. Fig. 1 zeigt eine Messeinrichtung 1, die dazu dient, einen Druck und im Beispiel zusätzlich eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zu erfassen. Das Fluid wird über einen Fluideinlass 2 einem Messbehälter 4 zugeführt und anschließend über einen Fluidablass 3 abgeführt. An einer Wand 11 des Messbehälters 4 sind ein Schwingungswandler 6 und ein weiterer Schwingungswandler 7 angeordnet, die durch eine Steuereinrichtung 19 zu Schwingungen anregbar sind, um eine Welle 8 in das Fluid einzukoppeln. Zudem können durch eine einlaufende Welle 8 angeregte Schwingungen der Schwingungswandler 6, 7 durch die Steuereinrichtung 19 erfasst werden, um eine Laufzeit der Welle 8 von dem Schwingungswandler 6 zu dem weiteren Schwingungswandler 7 bzw. umgekehrt zu erfassen. Im gezeigten Beispiel wird ein U-förmiges Durchstrahlungsprofil genutzt, bei dem die Welle 8 durch Ultraschallspiegel 10 umgelenkt wird, um sie im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids zu führen. Ein solches Vorgehen ist zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eines Durchflusses aus der Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Ausbreitungsrichtungen der Welle 8 prinzipiell bekannt und soll daher nicht detailliert erläutert werden.
Die Messeinrichtung 1 bzw. der Messbehälter 4 mit den daran angeordneten Schwingungswandlern 6, 7 unterscheiden sich vom üblichen Aufbau von Durchflusszählern dadurch, dass die Schwingungswandler 6, 7 beweglich an der Wand 11 des Messbehälters 4 gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter 4 gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters 4 verschoben werden können. Im gezeigten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die Schwingungswandler 6, 7 über Rückstellelemente 13, beispielsweise Federn, an einem Lagerbereich 12 des Messbehälters 4 bzw. der Wand 11 gelagert sind. Die Auswirkung dieser Lagerung ist schematisch in der in Fig. 2 gezeigten Detailansicht dargestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in dem in Fig. 2 gezeigten Fall der Druck in dem Messbehälter 4 höher ist als in dem in Fig. 1 gezeigten Fall, so dass der Schwingungswandler 6 von der in Fig. 1 gezeigten Stellung 16 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung 17 verbracht wird. Dies führt dazu, dass der Ausbreitungspfad 9 um die Verschiebestrecke 18 verlängert wird. Da in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl der Schwingungswandler 6 als auch der Schwingungswandler 7 auf gleiche Weise gelagert sind, resultiert insgesamt eine Verlängerung des Ausbreitungspfades 9 um das Doppelte der Verschiebestrecke 18. Wird näherungsweise davon ausgegangen, dass die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid konstant ist, führt somit eine Druckänderung in dem Messbehälter 4 zu einer Änderung der Laufzeit, die proportional zur Verschiebestrecke 18 ist. Da die Verschiebestrecke 18 mit dem Druck korreliert und beispielsweise bei Verwendung einer Feder zumindest näherungsweise linear abhängig von diesem ist, kann somit bei ansonsten gleichen Messbedingungen aus der Laufzeit durch die Steuereinrichtung 19 unmittelbar ein Druck in dem Messbehälter 4 ermittelt werden.
Die Verschiebung der Schwingungswandler 6, 7 resultiert daraus, dass der Druck an einer Kontaktfläche 14 des Schwingungswandlers, die mit dem Fluid im Messbehälter 4 in Kontakt ist, und auf einer dieser gegenüberliegenden Seitenfläche 15 unterschiedlich ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Druck an der Seitenfläche 15 im Wesentlichen konstant ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in einem Referenzvolumen 20 ein vorgegebener Referenzdruck herrscht. Typischerweise ist es jedoch ausreichend, wenn im Referenzvolumen 20 der Umgebungsdruck herrscht, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass ein Gasaustausch zwischen dem Referenzvolumen 20 und der Umgebung mit geringem Strömungswiderstand möglich ist. Da der Umgebungsdruck der die Messeinrichtung 1 umgebenden Luft typischerweise erheblich geringer variiert als die zu ermittelnden Druckschwankungen, kann hierdurch eine ausreichende Genauigkeit der Druckmessung erreicht werden.
Die Laufzeit der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 von dem Schwingungswandler 6 zu dem weiteren Schwingungswandler 7 hängt zusätzlich von weiteren Parametern, insbesondere von einer Temperatur des Fluids und einer Strömungsgeschwindigkeit ab.
Es ist vorteilhaft, entsprechende Abhängigkeiten zusätzlich bei der Ermittlung des Drucks zu berücksichtigen oder sie zu kompensieren. Es ist daher möglich, dass zusätzlich über einen Temperatursensor 21 eine Temperatur des Fluids in dem Messbehälter 4 ermittelt und durch die Steuereinrichtung 19 bei der Druckermittlung berücksichtigt wird. Insbesondere kann in Abhängigkeit der Temperatur die Schallgeschwindigkeit im Fluid ermittelt werden, die bei der Ermittlung der Verschiebestrecke 18 bzw. des Drucks aus der Laufzeit berücksichtigt wird. Prinzipiell wäre es auch möglich, Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids auf ähnliche Weise zu berücksichtigen. Beispielsweise können aus einer Laufzeitdifferenz der Laufzeit der Welle 8 vom Schwingungswandler 6 zum weiteren Schwingungswandler 7 und umgekehrt eine Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden und ein Einfluss von dieser auf die Laufzeit der Welle 8 bei der Druckermittlung berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit jedoch direkt eliminiert werden.
Hierzu können separat eine Laufzeit der Welle 8 vom Schwingungswandler 6 zum weiteren Schwingungswandler 7 und eine weitere Laufzeit vom weiteren
Schwingungswandler 7 zurück zum Schwingungswandler 6 erfasst werden. Wird nun im Rahmen der Druckberechnung die Summe der Laufzeit und der weiteren Laufzeit oder der Durchschnittswert dieser Laufzeiten berücksichtigt, so heben sich der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Laufzeit und die weitere Laufzeit gegenseitig weg, so dass die Druckermittlung zumindest näherungsweise unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.
Der erläuterte Ansatz zur Eliminierung der Abhängigkeit der Druckermittlung von der Strömungsgeschwindigkeit kann in Einzelfällen problematisch sein, wenn z.B. plötzliche Strömungsumschläge auftreten können. Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Ermittlung der Laufzeiten und der weiteren Laufzeiten führen hierbei nämlich zu Messfehlern. Obwohl dennoch in nahezu allen Anwendungsfällen eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden kann, kann diese Problematik auch vermieden werden, wenn eine zusätzliche Messstrecke verwendet wird, wie später noch mit Bezug auf Fig. 3 erläutert werden wird.
Die mit Bezug zur Fig. 1 und 2 diskutierte Messeinrichtung 1 ermöglicht es, den Druck im Messbehälter 4 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Abgesehen von der beschriebenen beweglichen Lagerung der Schwingungswandler 6, 7 sind alle beschriebenen Komponenten zumindest in manchen Durchflusszählern ohnehin vorhanden, so dass die zusätzliche Möglichkeit zur Druckmessung durch eine relativ einfache mechanische Modifikation und eine entsprechende Softwareänderung erreicht werden kann.
Fig. 3 zeigt eine Messeinrichtung, die zwei Messstrecken nutzt. Die erste Messstrecke wird durch die Schwingungswandler 6, 7 gebildet, die gewinkelt zu der Wand 11 des Messbehälters 4 bzw. zu einem als Messbehälter 4 genutzten Messrohr angeordnet sind, womit die Welle 8 das Fluid entlang einem diagonalen Ausbreitungspfad 9 durchstrahlt. Die zweite Messstrecke wird durch die Zusatzschwingungswandler 22, 23 gebildet, die in Umfangsrichtung des Messbehälters 4 gegen die Schwingungswandler 6, 7 versetzt sind. Die Zusatzschwingungswandler 22, 23 sind somit in Fig. 3 vor bzw. hinter der Bildebene angeordnet. Die Zusatzwelle 25 durchstrahlt das Fluid ebenfalls entlang einem diagonalen Zusatzausbreitungspfad 5, der gewinkelt zur Bildebene in Fig. 3 verläuft. Somit resultieren zwei Messstrecken mit zueinander gewinkelt stehenden Ausbreitungspfaden 5, 9 der jeweiligen Welle 8, 24. Die beiden Messstrecken können z.B. dazu dienen, eine redundante Messung zu ermöglichen bzw. einen Einfluss des Strömungsprofils auf eine Messung, beispielsweise auf eine Durchflussmessung, zu reduzieren.
Die Schwingungswandler 6, 7 sind beweglich an der Wand 11 gelagert, um eine Druckmessung zu ermöglichen, wie bereits obig erläutert wurde. Die Zusatzschwingungswandler 22, 23 sind starr an dem Messbehälter 4 bzw. der Wand 11 angeordnet, wodurch, wie später noch erläutert wird, die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Eine solche Messeinrichtung ist besonders einfach zu implementieren, da keine separaten Spiegel 10 zur Führung der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 bzw. der Zusatzwelle 24 entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 erforderlich sind. Somit ist ein solcher Aufbau z.B. für Großwasserzähler gut geeignet. Abgesehen von diesen Unterschieden entspricht die Messeinrichtung 1 im Wesentlichen der bereits vorangehend mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erläuterten Messeinrichtung 1.
Nachteilig ist hierbei jedoch zunächst, dass die Verschiebestrecke 18 der Schwingungswandler 6, 7 im Gegensatz zur vorangehend diskutierten Messeinrichtung 1 nicht senkrecht auf der Strömungsrichtung steht. Soll die Messeinrichtung 1 somit zusätzlich zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eines Durchflussvolumens genutzt werden, führt die Verschiebestrecke 18 somit auch zu einer Änderung der Laufzeitdifferenz zwischen beiden Ausbreitungsrichtungen und somit zu einem druckabhängigen Fehler der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflussvolumens. Der hierdurch resultierende Fehler ist bei einem angenommenen Schallweg von 10 cm und einer Auslenkung von 0,1 mm jedoch kleiner als 0,1 % und kann somit in den meisten Anwendungsfällen problemlos in Kauf genommen werden, um die zusätzliche Druckmessung zu ermöglichen. Da zudem die Abhängigkeit dieses Fehlers vom Druck bekannt ist, kann der entsprechende Fehler auch durch eine nachträgliche Korrektur im Wesentlichen vollständig korrigiert werden. Da die Zusatzschwingungswandler 22, 23 zudem starr an dem Messbehälter 4 angeordnet sind, tritt für die weitere Messstrecke das Problem nicht auf, wodurch der Fehler weiter reduziert werden kann.
Die diagonale Anordnung der Verschiebestrecke 18 führt zudem dazu, dass entgegen den Erläuterungen zu Fig. 1 der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit nicht vollständig eliminiert werden kann, indem Laufzeiten für beide Ausbreitungsrichtungen entlang dem Ausbreitungspfad 9 addiert werden. Da jedoch in Fig. 3 zwei Messstrecken vorhanden sind, kann stattdessen jedoch der im Folgenden erläuterte Ansatz genutzt werden.
Hierbei werden die Zusatzschwingungswandler 22 genutzt, um eine Zusatzwelle 24 anzuregen, die entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 zum weiteren
Zusatzschwingungswandler 23 geführt wird, um die Laufzeit der Zusatzwelle 24 zu ermitteln. Da die Zusatzschwingungswandler 22, 23 im Gegensatz zu den Schwingungswandlern 6, 7 starr an dem Messbehälter 4 angeordnet sind, ist die Länge des Zusatzausbreitungspfades 5 unabhängig von dem Druck in dem Messbehälter 4. Die Messgeometrie des Ausbreitungspfades 9 und des Zusatzausbreitungspfades 5 sind zumindest näherungsweise identisch, so dass bei einem bestimmten Referenzdruck die Laufzeit der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 gleich der Laufzeit der Zusatzwelle 24 entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 ist. Steigt hingegen der Druck im Messbehälter 4, so verlängert sich aufgrund der Bewegung der Schwingungswandler 6, 7 der Ausbreitungspfad 9, während die Länge des Zusatzausbreitungspfades 5 aufgrund der starren Anordnung der Schwingungswandler 22, 23 unverändert bleibt. Die Differenz zwischen der Laufzeit der Welle 8 und der Laufzeit der Zusatzwelle 24 stellt somit ein gutes Maß für den Druck des Fluids dar und ist zumindest näherungsweise unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
Die beschriebenen Ausführungsformen können auch problemlos kombiniert werden. Beispielsweise kann eine Messeinrichtung mit zwei Messstrecken genutzt werden, die senkrecht zur Wand 11 angeordnete Schwingungswandler 6, 7 aufweist. In diesem Fall sind vorzugsweise auch die Zusatzschwingungswandler 22, 23 senkrecht zur Wand 11 angeordnet. Alternativ wäre es auch möglich, die mit Bezug auf Fig. 1 und 2 diskutierte U- Strahlgeometrie in einer Messeinrichtung zu nutzen, die zwei Messstrecken aufweist.
Bezugszeichenliste
1 Messeinrichtung
2 Fluideinlass 3 Fluidablass
4 Messbehälter
5 Zusatzausbreitungspfad
6 Schwingungswandler
7 Schwingungswandler 8 Welle
9 Ausbreitungspfad
10 Ultraschallspiegel
11 Wand
12 Lagerbereich 13 Rückstellelement
14 Kontaktfläche
15 Seitenfläche
16 Stellung
17 Stellung 18 Verschiebestrecke
19 Steuereinrichtung
20 Referenzvolumen
21 Temperatursensor
22 Zusatzschwingungswandler 23 Zusatzschwingungswandler
24 Zusatzwelle

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler (6) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter
(4) angeordneten weiteren Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter (4) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder der weitere Schwingungswandler (6, 7) derart beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Ausbreitungspfad (9) von dem Schwingungswandler (6) zu dem weiteren Schwingungswandler (7) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, zusätzlich eine weitere Laufzeit von dem weiteren Schwingungswandler (7) zu dem Schwingungswandler (6) zu ermitteln und den Druck in Abhängigkeit der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Kontaktfläche (14) des Schwingungswandlers (6) und/oder des weiteren
Schwingungswandlers (7) mit dem Fluid im Messbehälter (4) in Kontakt ist und eine der jeweiligen Kontaktfläche (14) gegenüberliegende Seitenfläche (15) des Schwingungswandlers (6) und/oder des weiteren Schwingungswandlers (7) mit der die Messeinrichtung (1) umgebenden Luft oder mit einem Referenzvolumen (20), in dem ein vorgegebener Referenzdruck herrscht, in Kontakt ist, wobei der Schwingungswandler (6) und/oder der weitere Schwingungswandler (7) gewinkelt, vorzugsweise senkrecht, zur jeweiligen Kontaktfläche (14) verschiebbar gelagert sind. 4. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwingungswandler (6) und/oder dem weiteren Schwingungswandler (7) und einem Lagerbereich (12) des Messbehälters (4), an dem der Schwingungswandler (6) und/oder der weitere Schwingungswandler (7) gelagert ist, ein elastisch verformbares Rückstellelement (13), insbesondere eine Feder, angeordnet ist.
5. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor (21) zur Erfassung einer Temperatur des Fluids umfasst, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Druck zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur zu ermitteln.
6. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Messbehälter (4) ein Zusatzschwingungswandler (22) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Zusatzschwingungswandler (22) zur Anregung einer Zusatzwelle (24) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Zusatzschwingungswandler (22) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Zusatzwelle (24) entlang eines Zusatzausbreitungspfades (5) zurück zu dem Zusatzschwingungswandler (22) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Zusatzschwingungswandler (23) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Zusatzwelle (24) entlang des Zusatzausbreitungspfades (5) zu dem oder dem weiteren Zusatzschwingungswandler (22, 23) zu erfassen und den Druck zusätzlich in Abhängigkeit dieser Laufzeit der Zusatzwelle (24) zu ermitteln, wobei der Zusatzschwingungswandler (22) und/oder der weitere Zusatzschwingungswandler (23) starr an dem Messbehälter (4) angeordnet sind.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Druck in Abhängigkeit einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle (8) und der Laufzeit der Zusatzwelle (24) zu ermitteln.
8. Verfahren zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein
Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei durch eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) der Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid angesteuert wird, wobei die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren
Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei durch die Steuereinrichtung (19) die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) erfasst und in Abhängigkeit der Laufzeit der Druck in dem Messbehälter (4) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder der weitere Schwingungswandler (6,
7) beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.
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