DE10057188A1 - Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation - Google Patents
Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit TemperaturkompensationInfo
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Abstract
Bei einem Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation ist parallel zu einem Piezoelement P2 ein Temperatursensor T1 geschaltet, dessen Temperatur während den Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung 100 bestimmt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit
Temperaturkompensation.
Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach in der Prozeß- und
Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise den
Volumendurchfluß in einem Rohrleitungsabschnitt berührungslos zu
bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten entweder nach dem
Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von
Ultraschallimpulsen relativ zur Stömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.
Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in wie auch entgegen der Strömung
gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz läßt sich die Fließgeschwindigkeit und
damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der
Volumendurchfluß bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip wird Ultraschall mit einer beliebigen Frequenz in die
Flüssigkeit eingekoppelt und der von der Flüssigkeit reflektierte Ultraschall
ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen dem eingekoppelten
und reflektierten Signal läßt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der
Flüssigkeit bestimmen.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder
Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so daß dieses Prinzip
hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
Der Ultraschall wird mit Hilfe sogenannter Ultraschallwandler erzeugt bzw.
empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des
betreffenden Rohrleitungsabschnitt fest angebracht, z. B. verschweißt. Seit
neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Meßsysteme erhältlich. Bei diesen
Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einer Spannverschluß an
die Rohrwandung gepreßt.
Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B-686 255, US-A 44 84 478 oder US-
A 45 98 593 bekannt
Ein weiteres Ultraschall-Durchflußmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-
Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird mittels
Bursts, d. h. kurze sinusförmige Ultraschallimpulse, ermittelt.
Die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit ist temperaturabhängig. Für eine
genaue Messung des Durchflusses ist deshalb eine Berücksichtigung des
Temperatureinflusses notwendig.
Aus der US-A 4 208 908 ist ein Ultraschall-Durchflußmessgerät bekannt, bei
dem mit Hilfe eines Temperatursensors die Temperatur der Flüssigkeit
gemessen wird und der Meßstrom für ein Anzeigeelement entsprechend dem
Temperaturwert korrigiert wird.
Aus der US-5 280 728 ist eine weiter Meßschaltung für ein Ultraschall-
Durchflußmeßgerät bekannt, bei dem die Temperatur der Flüssigkeit ebenfalls
mit Hilfe eines Temperatursensors gemessen wird, der am Ultraschallwandler
fixiert ist.
Nachteilig an diesen Schaltungen ist, daß zwischen Meßschaltung und dem
eigentlichen Ultraschallwandler eine zusätzliche elektrische Verbindung
notwendig ist, über die das Temperatursignal geführt wird.
Aus der WO 00/26618 ist bekannt, Kompensationsmittel am Ultraschallwandler
vorzusehen, die den Temperatureinfluß auf die Länge der Meßstrecke
kompensieren.
Aus der US A 5 280 728 ist ein weiteres Ultraschall-Durchflußmessgerät mit
Temperaturkompensation bekannt. Hierbei wird die Laufzeit des
Ultraschallsignals in einer bestimmten vorgegebenen Strecke in einem
Einkoppelelement des Wandlers gemessen und aus der bekannten
Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium auf die
Temperatur des Wandlers und damit auch auf die Temperatur der Flüssigkeit
geschlossen.
Aufgrund der erheblichen Wärmekapazität dieses Einkoppelelements werden
Temperaturänderungen erst verzögert wahrgenommen. Außerdem ist diese Art
der Temperaturbestimmung relativ ungenau.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Ultraschall-Durchflußmessgerät
mit Temperaturkompensation anzugeben, das eine genaue
Temperaturbestimmung und damit eine genaue Durchflußmessung ermöglicht,
das keine zusätzliche Verkabelung benötigt und die einfach und kostengünstig
aufgebaut ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit
Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandler, die an
einem Meßrohr angeordnet sind und die je ein Piezoelement aufweisen, einer
Meßschaltung, die über je eine Anschlußleitung mit den Ultraschallwandlern
verbunden ist und die dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens
einem Piezoelement ein Temperatursensor geschaltet ist, dessen Temperatur
während den Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung bestimmt wird.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, daß parallel zum
Piezoelement ein Temperatursensor geschaltetet ist und das Temperatursignal
und das Ultraschallspannungssignal über die gleiche Leitung vom
Ultraschallwandler zur Meßschaltung übertragen werden.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung besteht der Temperatursensor T1 aus
einer Spule L und einem temperaturabhängigen Widerstand Rt.
In einer bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel ist parallel zum
Temperatursensor ein Referenzwiderstand geschaltet ist und die Temperatur
des temperaturabhängigen Widerstands wird aus dem Vergleich der
Widerstandswerte gewonnen.
In einer bevorzugten dritten Ausführungsbeispiel ist eine Konstantstromquelle
mit dem Temperatursensor verbindbar und aus dem Spannungsabfall über dem
Temperatursensor wird die Temperatur des temperaturabhängigen
Widerstands bestimmt.
In einer bevorzugten vierten Ausführungsbeispiel wird anstatt des
temperaturabhängigen Widerstands Rt ein Thermoelement Th eingesetzt.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflußmessgeräts und
Fig. 2 schematische Darstellung einer ersten Meßschaltung für ein
Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß Fig. 1.
Fig. 3 schematische Darstellung einer zweiten Meßschaltung für ein
Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß Fig. 1.
Fig. 4 schematische Darstellung einer dritten Meßschaltung für ein
Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß Fig. 1.
Fig. 5 schematische Darstellung einer vierten Meßschaltung für ein
Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Ultraschall-
Durchflußmessgerät mit zwei Ultraschallwandler 2, 3, die auf der
Außenwandung einer Rohrleitung 1 achsparallel versetzt angeordnet sind. Die
Flüssigkeit F in der Rohrleitung 1 fließt in Pfeilrichtung.
Dieses Wandlerpaar, Ultraschallwandler 2, 3, kann auf zwei unterschiedliche
Weisen betrieben werden. Entweder wirkt der Ultraschallwandler 2 als
Sendewandler und der Ultraschallwandler als 3 als Empfängerwandler oder der
Ultraschallwandler 2 als Empfängerwandler und der Ultraschallwandler 3 als
Sendewandler, wodurch abwechselnd in Strömungsrichtung bzw. entgegen der
Strömungsrichtung gemessen wird.
Jeder Ultraschallwandler 2, 3 weist ein keilförmiges Koppelelement 21 bzw. 31
das die Ultraschallsignale unter einem von 90° verschiedenen Winkel α
entweder in die Wandung der Rohrleitung ein- bzw. auskoppelt werden. Der
Winkel α ist so gewählt, daß das an der gegenüberliegenden Wandung der
Rohrleitung 1 reflektierte Signal auf den jeweils anderen Ultraschallwandler
trifft.
Die Ultraschallwandler 2, 3 weisen jeweils Piezoelemente P2 bzw. P3 auf, die
elektrischen Impulse in mechanische Schwingungen, die eigentlichen
Ultraschallsignale, umwandeln oder mechanische Schwingungen in elektrische
Impulse umwandeln.
Beide Ultraschallwandler 2, 3 sind jeweils über Anschlußleitungen 23 bzw. 33
mit einer Meßschaltung 100 verbunden. Über diese Anschlußleitungen 23, 33
werden die elektrischen Impulse geführt.
Fig. 2 zeigt die Meßschaltung 100 als Blockschaltbild.
Die Meßschaltung 100 besteht aus einem Mikrocontroller M, einer Sendeeinheit
S. einer Empfängereinheit E, einem Frequenz-Generator F sowie zwei Analog-
Digitalwandler A/D1 bzw. A/D2 einer Anzeigeeinheit D und einem I/O-Modul
I/O. Der Mikrocontroller M ist mit dem Frequenzgenerator F verbunden. Vom
Frequenzgenerator F führt eine Verbindungsleitung L3 zu der Sendeeinheit S.
Die Sendeeinheit S ist über zwei Verbindungsleitungen L4 bzw. L5 mit der
Empfängereinheit E verbunden. Von den Verbindungsleitungen L4 bzw. L5
führen zwei Anschlußleitungen 23 bzw. 33 jeweils zu den beiden
Ultraschallwandler 2 bzw. 3. Zwei Ausgänge A1 bzw. A2 der Empfängereinheit
E sind jeweils mit den A/D-Wandlern A/D1 bzw. A/D2 verbunden. Zur Anzeige
des Meßwertes dient die Anzeigeeinheit D, die ebenfalls mit dem
Mikrocontroller M verbunden ist. Über ein I/O-Modul I/O ist die Meßschaltung
100 mit einer zentralen Steuereinheit, die nicht näher dargestellt ist verbunden.
Der Mikrocontroller steuert über fünf Steuerleitungen SL1, SL2, SL3, SL4, SL5
jeweils 5 Schalter S1, S2, S3, S4, S5 an.
Die Schalter S1, S2, S3 und S4 werden kreuzweise geschaltet, so daß
entweder der eine Ultraschallwandler 2 als Sendewandler und der
Ultraschallwandler 3 als Empfängerwandler bzw. umgekehrt dient.
Im folgenden ist der Ultraschallwandler 2 näher beschrieben.
Parallel zum Piezoelement P2 ist ein Temperatursensor T1 geschaltet. Der
Temperatursensor T1 besteht aus einem temperaturabhängiger Widerstand RT
und eine Spule L, die in Reihe geschaltet sind. Der ohmsche Widerstand der
Spule L ist als separater Widerstand RL dargestellt.
Über den Schalter S5 kann auf einen Referenzwiderstand Rref umgeschaltet
werden.
Der Schalter S5 ist über einen zweiten Verstärker V2 mit dem A/D-Wandler
A/D1 verbunden bzw. über einen Widerstand RA mit einer Referenzspannung
Uref.
Die weiteren Ausführungsbeispiele unterscheiden sich nur geringfügig von dem
in Fig. 2 gezeigten. Der Übersichtlichkeit halber wurde deshalb auf die
vollständige Bezifferung verzichtet und hauptsächlich nur auf die Änderungen
gegenüber Fig. 2 Wert gelegt.
Das zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich nur dadurch,
daß eine Konstanstromquelle SQ mit dem Verstärker V2 verbindbar ist. Über
den Schalter S5 kann die Konstantstromquelle SQ zugeschaltet werden.
In einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 entfällt die
Konstantstromquelle SQ. Dafür umfaßt der Frequenzgenerator F zusätzlich
einen Geleichspannunggenerator.
In einem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist der
temperaturabhängige Widerstand RT durch ein Thermoelement Th ersetzt.
Der Ultraschallwandler 3 besteht bei allen vier Ausführungsbeispielen nur aus
dem Piezoelement P3.
Aus Redundanzgründen kann der Ultraschallwandler 3 identisch zum
Ultraschallwandler 2 ausgebildet sein. In diesem Fall stünden zwei
unabhängige Temperatursignale für die Auswertung zur Verfügung.
Durch Mittelwertbildung könnte dadurch ein genauerer Temperaturmeßwert
gewonnen werden.
Außerdem hätte der Ausfall eines der beiden Temperatursensoren auf die
Temperaturmessung keinen wesentlichen Einfluß.
Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
Mit Hilfe des Frequenzgenerators F und der Sendestufe S werden Bursts von
elektrischen Spannungsimpulsen erzeugt. Die Frequenz der Impulse liegt
zwischen 50 kHz und 10 MHz. Ein Burst dauert etwa 1 µs bis 200 µs, so daß ein
Burst aus etwa 10 Wellenzügen besteht. Diese Bursts werden z. B. an den
Ultraschallwandler 2 weitergeleitet, der dann als Sendewandler dient.
Arbeitet der Ultraschallwandler 3 als Empfängerwandler so besteht keine
Verbindung mit der Sendeeinheit S. Die vom Piezoelement P3 empfangenen
Ultraschallsignale werden in elektrische Impulse umgewandelt und über einen
Verstärker V1 in der Empfängerstufe E und dem A/D-Wandler A/D2 dem
Mikrocontroller M zu Auswertung zugeführt.
Im Sendebetrieb, d. h. wenn Burst (Ultraschallspannungssignale) erzeugt
werden, ist der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S3 geöffnet. Es
erfolgt keine Temperaturmessung mit dem Ultraschallwandler 2. Aufgrund der
Impedanz der Spule L (470 µH, ~3000 Ω), die viel größer als die des
Piezoelements P2 (10-80 Ω) ist, fließt über den Temperatursensor T1 kein
das Ultraschall-Signal störender Strom.
Zur Temperaturmessung wird der Sendebetrieb unterbrochen (Ultraschall-
Meßpausen) und der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S3 geschlossen.
Aus der bekannten Temperaturabhängigkeit des Widerstandes RT und dem
bekannten Widerstandswert des Widerstands RL sowie dem
Referenzwiderstand Rref und dem Widerstand RA kann die Temperatur T der
Flüssigkeit F bestimmt werden. Das Piezoelement P2 beeinflußt die Messung
nicht, da es nur als Kondensator wirkt und keinen Einfluß auf den Gleichstrom
hat.
Dadurch kann die Temperatur T der Flüssigkeit F sehr genau und einfach
bestimmt werden und die Temperaturabhängigkeit des Durchflusses
ausgeglichen werden. Die hierfür notwendigen Berechnungen werden im
Mikrocontroller M durchgeführt.
Der Meßwert für den Massedurchfluß hängt somit nicht mehr von der
Temperatur der Flüssigkeit F ab.
Im Prinzip wird die Temperatur der Rohrleitung 1 bestimmt, die aber im
wesentlichen der Temperatur der Flüssigkeit F entspricht.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier wird mit der
Konstanstromquelle SQ ein konstanter Strom erzeugt und über den
Spannungsabfall am Ultraschallwandler 2 die Temperatur des
Temperatursensors T1 bestimmt.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Zur Temperaturmessung wird die Frequenz f der Sendestufe S verändert. Im
Sendebetrieb liegt sie bei etwa 50 kHz-5 MHz. Zur Temperaturmessung
erfolgt ein Umschalten auf eine Frequenz f1 = 100 Hz. Bei dieser Frequenz ist
die Impedanz der Spule L relativ klein. Das Piezoelement P2 besitzt eine sehr
hohe Impedanz, so daß der gesamte Strom I über den Temperatursensor T1
fließt.
Aus der Sendespannung kann bei bekanntem RT, L, RL die Temperatur T des
Temperatursensors T1 bestimmt werden.
In Fig. 5 ist der temperaturabhängige Widerstand Rt durch das Thermoelement
Th ersetzt. Die Thermospannung des Thermoelements Th wird verstärkt und im
Mikrocontroller M ausgewertet.
Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmeßgerät kann in einfacher
Weise die Temperatur der Flüssigkeit F bestimmt werden und damit ihren
Einfluß bei der Bestimmung des Durchflusses berücksichtigt werden.
Claims (5)
1. Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens
zwei Ultraschallwandler (2, 3), die an einem Meßrohr (1) angeordnet sind und
die je ein Piezoelement P2, P3 aufweisen, einer Meßschaltung (100), die über
je eine Anschlußleitung (23, 24) mit den Ultraschallwandlern (2, 3) verbunden ist
und die dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einem
Piezoelement P1, P2 ein Temperatursensor T1 geschaltet ist, dessen
Temperatur während den Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung (100)
bestimmt wird.
2. Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperatursensor T1 aus einer Spule L und einem
temperaturabhängigen Widerstand Rt besteht.
3. Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zum Temperatursensor T1 ein Referenzwiderstand Rf geschaltet
ist und die Temperatur T des temperaturabhängigen Widerstands R aus dem
Vergleich der Widerstandswerte R und Rt gewonnen wird.
4. Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Konstantstromquelle SQ mit dem Temperatursensor T1 verbindbar ist
und aus dem Spannungsabfall über dem Temperatursensor T1 die Temperatur
T des temperaturabhängigen Widerstands R bestimmt wird.
5. Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß anstatt des temperaturabhängigen Widerstands Rt ein Thermoelement Th
eingesetzt wird.
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