DE19648784C2

DE19648784C2 - Ultraschall-Durchflußmesser

Info

Publication number: DE19648784C2
Application number: DE19648784A
Authority: DE
Inventors: Jan Van Dr Ing Bekkum; Vladimir Dr Ing Smychliaev
Original assignee: Krohne AG
Current assignee: Krohne AG
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: DE19648784A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien, mit einem Meßrohr und mit mindestens einem Ultraschallwandler, wobei der Ultraschall wandler mit Kontakt zum strömenden Medium in einer Wandlertasche des Meßrohres eingebaut ist.

Der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmessern hat in zunehmendem Maße bei der be trieblichen Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen, zusammengefaßt strö mende Medien, Bedeutung gewonnen. Die Durchflußmessung erfolgt - wie bei ma gnetisch-induktiven Durchflußmessern - "berührungslos", d. h. ohne störende Ein bauten in der Strömung, die stets Verwirbelungen und einen erhöhten Druckverlust zur Folge haben.

Bei Ultraschall-Durchflußmessern unterscheidet man hinsichtlich des Meßverfahrens vor allem zwischen dem Laufzeit-Verfahren und dem Doppler-Verfahren, beim Lauf zeit-Verfahren zwischen dem direkten Laufzeitdifferenz-Verfahren, dem Impulsfolge frequenz-Verfahren und dem Phasenverschiebungs-Verfahren (vgl. H. Bernard "Ul traschall-Durchflußmessung" in "Sensoren, Meßaufnehmer", herausgegeben von Bonfig/Bartz/Wolff im expert verlag, ferner die VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ul traschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").

Zu Ultraschall-Durchflußmessern der in Rede stehenden Art gehören funktionsnot wendig einerseits ein Meßrohr, das in der Regel zusammen mit einer Einlaufstrecke und einer Auslaufstrecke die Meßstrecke darstellt, und andererseits mindestens ein Ultraschallwandler, der teilweise auch als Meßkopf bezeichnet wird. Dabei ist Ultra schallwandler sehr allgemein zu verstehen. Zunächst gehören zu den Ultraschall wandlern einerseits Ultraschallsender, also Meßköpfe zur Erzeugung und Abstrah lung von Ultraschallsignalen, andererseits Ultraschallempfänger, also Meßköpfe zum Empfang von Ultraschallsignalen und zur Umwandlung der empfangenen Ultra schallsignale in elektrische Signale. Zu den Ultraschallwandlern gehören aber auch Meßköpfe, die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger in sich vereinigen, die also sowohl der Erzeugung und der Abstrahlung von Ultraschallsignalen als auch dem Empfang von Ultraschallsignalen und der Umwandlung der empfangenen Ultra schallsignale in elektrische Signale dienen. Ein Ultraschallwandler des zuletzt be schriebenen Typs wird in Ultraschall-Durchflußmessern für strömende Medien einge setzt, die mit nur einem Ultraschallwandler arbeiten. Derartige Ultraschall-Durch flußmesser bestimmen die Geschwindigkeit des strömenden Mediums mit Hilfe der Dopplerverschiebung des an einer Inhomogenität des strömenden Mediums reflek tierten Ultraschallsignals. Es ist gleichfalls denkbar, daß die Dopplerverschiebung der Ultraschallsignale über zwei ohne Versatz auf entgegengesetzten Seiten des Meßroh res angeordnete Ultraschallwandler bestimmbar ist. Weiter sind Messungen basierend auf dem Laufzeit-Verfahren möglich, bei denen zwei Ultraschallwandler auf derselben Seite des Meßrohres in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind, wobei in diesem Fall die Ultraschallsignale an der den Ultraschallwandlern gegenüberliegenden Seite des Meßrohres reflektiert werden. Regelmäßig sind jedoch zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die in Strömungsrichtung des strömenden Mediums gegeneinander ver setzt angeordnet sind. Im weiteren wird die Erfindung ohne Beschränkung hierauf stets in Bezug auf den zuletzt genannten Typ von Ultraschall-Durchschlußmessern beschrieben.

Im übrigen gibt es einerseits Ultraschall-Durchflußmesser, bei denen die Ultraschall wandler nicht mit dem strömenden Medium in Kontakt kommen, also von außen auf dem Meßrohr angeordnet sind, sogenannte "Clamp-on-Anordnung", andererseits Ul traschall-Durchflußmesser, bei denen die Ultraschallwandler mit dem strömenden Medium in Kontakt sind. Die Erfindung betrifft nur solche Ultraschall-Durchflußmes ser, bei denen die Ultraschallwandler mit dem strömenden Medium im Kontakt sind.

Einleitend ist gesagt, daß bei den in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmessern die Ultraschallwandler in Wandlertaschen des Meßrohres eingebaut sind. Wandlertasche meint dabei eine außerhalb des Strömungsquerschnitts des Meßrohres liegende Aus nehmung oder Vertiefung, wie auch immer realisiert, in der ein Ultraschallwandler so eingebaut ist, daß er nicht in den Strömungsquerschnitt des Meßrohres hineinragt, die Strömung also eigentlich nicht beeinflußt. Da die Ultraschallwandler in Strömungs richtung gegeneinander versetzt angeordnet, im übrigen aber aufeinander ausgerich tet sind, verläuft in der Regel die Längsachse der Wandlertaschen unter einem spit zem Winkel bzw. unter einem stumpfen Winkel zur Strömungsrichtung des strömen den Mediums bzw. zur Längsachse des Meßrohres (vgl. das Bild 6.1.1 auf Seite 532 der Literaturstelle "Sensoren, Meßaufnehmer", aaO, das Bild 8 auf Seite 18 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen", und Fig. 2-2 auf Seite 21 der Literaturstelle "Ul trasonic Measurements for Process Control" von Lawrence C. Lynnworth, ACADEMIC PRESS, INC., herausgegeben von Harcourt Brace Jovanovich).

Bei Ultraschall-Durchflußmessern lassen die Wandlertaschen die Strömung des in dem Meßrohr strömenden Mediums nicht unbeeinflußt, vielmehr werden Wirbel generiert, und zwar mit der Frequenz

mit
S = Strouhal-Zahl,
V = Geschwindigkeit des strömenden Mediums,
D = Größe der Wandlertasche.

Dazu wird verwiesen auf die Literaturstelle "Boundary-Layer Theory" von Dr. Hermann Schlichting, McGRAW-HILL BOOK COMPANY.

Folgende Betrachtung zeigt die Auswirkung der von den Wandlertaschen generier ten Wirbel:
Die Strouhal-Zahl liegt bei etwa 0,2 und verändert sich wenig, wenn die Reynold sche-Zahl zwischen 2 × 10² und 6 × 10⁵ liegt (vgl. die Fig. 2.9 auf Seite 32 der Litera turstelle "Boundary-Layer Theory", aaO). Normalerweise werden piezoelektrische Ul traschallwandler verwendet, die einen Durchmesser von 10 bis 20 mm haben, d. h. die Größe der Vertiefung liegt zwischen 15 und 40 mm. Bei Geschwindigkeiten des strö menden Mediums zwischen 0,5 und 10 m/s liegt die Frequenz der von den Wandler taschen generierten Wirbel zwischen 2,5 und 133 Hz. Soll nun mit einer Genauigkeit von 0,1% gemessen werden, dann liegt die Zeitkonstante zwischen etwa 3,8 s und etwa 200 s. Die Dynamik der in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmesser ist also schlecht.

Zur Lösung des zuvor im einzelnen dargestellten Problems, das aus den von den Wandlertaschen generierten Wirbeln resultiert, ist bereits vorgeschlagen worden, die Wandlertaschen mit Kunststoff auszufüllen (vgl. die Fig. 4-9 auf Seite 257 der Litera turstelle "Ultrasonic Measurements for Process Control", aaO). Dabei entstehen jedoch die gleichen, auf dem Snellius-Gesetz beruhenden Nachteile wie bei Ultraschall- Durchflußmessern, bei denen die Ultraschallwandler von außen auf dem Meßrohr be festigt sind, also bei der sogenannten "Clamp-on-Anordnung". Zusätzlich gibt es Probleme mit der akustischen Impedanz und technologische Probleme mit dem die Wandlertaschen ausfüllenden Kunststoff, insbesondere bei höheren Temperaturen. Die mit dem Ausfüllen der Wandlertaschen mit Kunststoff verbundenen Nachteile und Probleme sind der Grund dafür, warum diese Ausführung in die Praxis keinen Eingang gefunden hat.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ultraschall-Durch flußmesser, von denen die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß von den Wandlertaschen generierte Wirbel sich nicht in der beschriebenen Weise nachteilig auswirken.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch ge kennzeichnet, daß die Wandlertasche eingangsseitig mit einem Maschen aufweisen den Gitter versehen ist. Eingangsseitig meint dabei, daß das Gitter dort vorgesehen ist, wo die Wandlertasche, vom Meßrohr aus gesehen, beginnt. Funktionsnotwendig ist das erfindungsgemäß vorgesehene Gitter nur im jeweiligen Eingangsbereich der Wandlertaschen. Zweckmäßigerweise kann jedoch das Meßrohr insgesamt an seiner Innenseite mit einem durchgehenden Gitter versehen sein. Dann hat das Meßrohr insgesamt eine gleichmäßige Rauhigkeit, wodurch das Strömungsprofil und damit das Meßergebnis stabilisiert wird.

Das erfindungsgemäß zumindest am Eingang jeder Wandlertasche vorgesehene Git ter, dessen Maschen natürlich ultraschalldurchlässig sein müssen, führt einerseits zu einer Verringerung der Wirbel, andererseits zu einer Vergrößerung der Frequenz der noch auftretenden Wirbel. Da, wie eingangs beschrieben, die Frequenz der generier ten Wirbel proportional der Strouhal-Zahl und der Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist, jedoch umgekehrt proportional ist zum im einzelnen wirksamen Quer schnitt, wird unmittelbar verständlich, daß dann, wenn der wirksame Querschnitt der Maschen bei etwa einem Zehntel des wirksamen Querschnitts der Wandlertaschen liegt, sich die Frequenz der generierten Wirbel verzehnfacht. Da nun des weiteren, wie eingangs auch dargestellt, die Zeitkonstante umgekehrt proportional zur Fre quenz der generierten Wirbel ist, verringert sich die Zeitkonstante auf ein Zehntel, für das eingangs dargestellte Beispiel also auf etwa 0,4 bis 20 s.

Zuvor ist darauf hingewiesen worden, daß die erfindungsgemäß vorgesehenen Gitter natürlich ultraschalldurchlässig sein müssen. Das ist dann sichergestellt, wenn die Maschen des Gitters Flechtgerten F haben, die kleiner sind als die Wurzel aus dem Produkt der mittleren Tiefe T der Wandlertaschen und der Wellenlänge λ des Ultra schalls im strömenden Medium.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmesser auszugestalten und weiterzubilden; das gilt insbesonde re in bezug auf die Geometrie der Maschen des erfindungsgemäß vorgesehenen Git ters. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungs beispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt, jeweils schema tisch

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen bekannten Ultraschall-Durchflußmesser, von dem die Erfindung ausgeht,

Fig. 2 einen bekannten Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem die Wandlerta schen mit Kunststoff ausgefüllt sind,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflußmessers,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflußmessers und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung dessen, was durch die Lehre der Erfindung erreicht worden ist.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser sind bestimmt für strömende Medien, insbesondere für Flüssigkeiten, aber auch für Gas. Mit Hilfe der in Rede stehenden Ultraschall-Durchflußmesser kann die Geschwindigkeit des strömen den Mediums gemessen werden. Aus der gemessenen Geschwindigkeit und dem be kannten Strömungsquerschnitt läßt sich der Durchfluß bestimmen.

Die in den Fig. 1 bis 4 beispielhaft dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Meßrohr 1 und zwei in Strömungsrich tung gegeneinander versetzt angeordneten Ultraschallwandlern 2. In den dargestell ten Ausführungsbeispielen sind jeweils nur zwei Ultraschallwandler 2 vorgesehen; die noch folgende Erläuterung der Erfindung ist ohne weiteres natürlich auch anwendbar auf Ultraschall-Durchflußmesser, bei denen mehr oder weniger als zwei Ultraschallwandler 2 vorgesehen sind.

Wie die Fig. 1 bis 4 zeigen, sind die Ultraschallwandler 2 mit Kontakt zum strömenden Medium in Wandlertaschen 3 des Meßrohres 1 eingebaut. In allen dargestellten Aus führungsbeispielen verläuft die Längsachse der Wandlertaschen 3 unter einem spit zen Winkel bzw. unter einem stumpfen Winkel zur Strömungsrichtung bzw. zur Längsachse des Meßrohres 1.

Wie die Fig. 1 zeigt, bilden sich bei dem in dieser Figur dargestellten Ultraschall- Durchflußmesser im Bereich der Wandlertaschen 3 relativ große Wirbel 4 aus. Bei dem in Fig. 2 dargestellten bekannten Ultraschall-Durchflußmesser treten im Bereich der Wandlertaschen 3 Wirbel nicht auf, weil die Wandlertaschen 3 mit Kunststoff 5 ausgefüllt sind. Diese Ausführungsform ist jedoch mit den eingangs beschriebenen Nachteilen und Problemen behaftet, so daß sie sich in der Praxis nicht hat bewähren können.

Erfindungsgemäß ausgestaltete Ultraschall-Durchflußmesser sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Wandlertaschen 3, und zwar nur die Wandlertaschen 3, eingangsseitig mit einem Maschen 6 aufweisenden Gitter 7 versehen. Demgegenüber zeigt die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Ultraschall-Durchflußmessers, bei dem Meßrohr 1 an seiner Innenseite 8 mit einem durchgehenden Gitter 7 versehen ist; das Meßrohr 1 ist folglich insgesamt mit einem Gitter 7 versehen.

Wie bereits ausgeführt, muß das erfindungsgemäß vorgesehene Gitter 7 ultraschall durchlässig sein. Das ist dann sichergestellt, wenn die Maschen 6 des Gitters 7 Flechtgerten F haben, die kleiner sind als die Wurzel aus dem Produkt der mittleren Tiefe T der Wandlertaschen und der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Geometrie der Maschen 6 des Gitters 7 zu wählen, was in den Figuren im einzelnen nicht dargestellt ist. So können die Maschen 6 des Gitters 7 einen kreisförmigen oder einen elliptischen Querschnitt haben. Dann wird der Durchmesser der Maschen 6 des Gitters 7 so gewählt, daß er zwischen der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium und dem Dop pelten dieser Wellenlänge liegt. Die Maschen 6 des Gitters 7 können auch einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen, oder einen rautenförmigen Quer schnitt haben. Für die Dimensionierung der Maschen 6 des Gitters 7 gilt dann, daß die Seitenlängen der Maschen 6 gleich der Wellenlänge λ des Ultraschalls im strömenden Medium oder größer als diese Wellenlänge sind, vorzugsweise jedoch kleiner sind als das Doppelte der Wellenlänge λ. Schließlich können die Maschen 6 des Gitters 7 auch einen dreieck-, polygonal- oder sternförmigen Querschnitt haben. Dann gilt für die Dimensionierung der Maschen 6, daß der Durchmesser des von den Maschen 6 des Gitters 7 eingeschlossenen Kreises gleich der Wellenlänge λ des strömenden Mediums oder größer als diese Wellenlänge ist, vorzugsweise jedoch kleiner ist als das Doppelte der Wellenlänge λ.

Ein Vergleich der Fig. 3 und 4 mit der Fig. 1 zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Ul traschall-Durchflußmesser die Wirbel 4 wesentlich kleiner sind als die Wirbel 4 bei dem zum Stand der Technik gehörenden Ultraschall-Durchflußmesser nach Fig. 1. Im übrigen ist, wie ausgeführt, die Frequenz der Wirbel 4 bei dem erfindungsgemäßen Ul traschall-Durchflußmesser wesentlich größer als die Frequenz der Wirbel 1 bei dem bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ultraschall-Durchflußmesser. Dadurch ist die Zeit konstante wesentlich verringert, beispielsweise um den Faktor 10, und die Meß genauigkeit, und zwar sowohl die Linearität als auch die Reproduzierbarkeit, we sentlich verbessert. Schließlich ist auch noch das Verhältnis von Meßsignal zu Stör signal verbessert.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Meßfehlers von der Geschwindigkeit des strömen den Mediums, und zwar einerseits für den bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ultra schall-Durchflußmesser, andererseits für den erfindungsgemäßen, in den Fig. 3 und 4 dargestellten Durchflußmesser. Man sieht ohne weiteres, daß bei dem bekannten Durchflußmesser der Meßfehler stark von der Geschwindigkeit des strömenden Me diums abhängt, im übrigen relativ groß ist, während bei dem erfindungsgemäßen Ul traschall-Durchflußmesser ein insgesamt ausgesprochen kleiner, von der Geschwin digkeit des strömenden Mediums kaum abhängiger Meßfehler vorliegt.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die bei dem erfindungsgemäßen Ul traschall-Durchflußmesser auftretenden relativ kleinen Wirbel 4 nicht nur meßtech nisch praktisch kaum noch stören, vielmehr auch einen positiven Beitrag zur dauer haften Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmessers lei sten, nämlich insoweit, als die Wirbel 4 dazu führen, daß das Gitter 7 stets gereinigt wird, die Maschen 6 des Gitters 7 also ultraschalldurchlässig bleiben.

Claims

1. Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien, mit einem Meßrohr und mit mindestens einem Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallwandler mit Kontakt zum strömenden Medium in einer Wandlertasche des Meßrohres eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlertasche (3) eingangsseitig mit einem Maschen (6) aufweisenden Gitter (7) versehen sind.

2. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) an seiner Innenseite (8) mit einem durchgehenden Gitter (7) versehen ist.

3. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) Flechtgerten (F) mit F < √ haben, wobei T die mittlere Tiefe der Wandlertaschen (3) und λ die Wellenlänge des Ultraschalls im strö menden Medium bedeutet.

4. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen kreisförmigen oder einen ellipti schen Querschnitt haben.

5. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Maschen (6) des Gitters (7) zwischen der Wellenlänge (λ) des Ultra schalls im strömenden Medium und dem Doppelten dieser Wellenlänge liegt.

6. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen, oder einen rautenförmigen Querschnitt haben.

7. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der Maschen (6) des Gitters (7) gleich der Wellenlänge (λ) des Ultra schalls im strömenden Medium oder größer als diese Wellenlänge sind, vorzugsweise jedoch kleiner sind als das Doppelte der Wellenlänge (λ).

8. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Maschen (6) des Gitters (7) einen dreieck-, polygonal- oder stern förmigen Querschnitt haben.

9. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des von den Maschen (6) des Gitters (7) eingeschlossenen Kreises gleich der Wellenlänge (λ) des strömenden Mediums oder größer als diese Wellenlän ge ist, vorzugsweise jedoch kleiner ist als das Doppelte der Wellenlänge (λ).