DE10057188B4

DE10057188B4 - Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE10057188B4
Application number: DE2000157188
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2020-11-18
Also published as: DE10057188C8; DE10057188C5; DE10057188A1

Abstract

Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandlern (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, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement (P1, P2) ein Temperatursensor (T1) geschaltet ist, dessen Temperatur (T) während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung (100) bestimmt wird, und der Temperatursensor (T1) aus einer Spule (L) und einem temperaturabhängigen Widerstand (R_T) oder aus einer Spule (L) und einem Thermoelement (Th) besteht.

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.
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.
Die Druckschriften DE-C 33 06 529 , die DE-A 198 20 208 und die DD-A 300 585 offenbaren Vorrichtungen zum Messen einer Temperatur eines piezoelektrischen Elements. Dabei bestehen die Temperatursensoren aus temperaturabhängigen Widerständen, welche direkt auf den Piezoelementen angebracht sind und jeweils eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Diese sind parallel zum Piezoelement geschaltet.
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 Ultraschallwandlern, die an einem Meßrohr angeordnet sind und die je ein Piezoelement aufweisen, einer Meßschaltung, die über je eine Anschlußleitung mit den Ultraschallwandlern verbunden ist, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement ein Temperatursensor geschaltet ist, dessen Temperatur während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung bestimmt wird, und der Temperatursensor aus einer Spule und einem temperaturabhängigen Widerstand oder aus aus einer Spule und einem Thermoelement besteht.
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 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.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflußmessgeräts und
2 schematische Darstellung einer ersten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1.
3 schematische Darstellung einer zweiten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1.
4 schematische Darstellung einer dritten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1.
5 schematische Darstellung einer vierten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1.
1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Ultraschall-Durchflußmessgerät mit zwei Ultraschallwandlern 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 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, auf das die Ultraschallsignale unter einem von 90° verschiedenen Winkel α entweder in die Wandung der Rohrleitung ein- bzw. auskoppelt. 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 elektrische 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.
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-Digitalwandlern 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 13 zu der Sendeeinheit S. Die Sendeeinheit S ist über zwei Verbindungsleitungen 14 bzw. 15 mit der Empfängereinheit E verbunden. Von den Verbindungsleitungen 14 bzw. 15 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 andere 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 R_T und eine Spule L, die in Reihe geschaltet sind. Der ohmsche Widerstand der Spule L ist als separater Widerstand R_L dargestellt.
Über den Schalter S5 kann auf einen Referenzwiderstand R_ref umgeschaltet werden.
Der Schalter S5 ist über einen zweiten Verstärker V2 mit dem A/D-Wandler A/D1 verbunden bzw. über einen Widerstand R_A mit einer Referenzspannung U_ref.
Die weiteren Ausführungsbeispiele unterscheiden sich nur geringfügig von dem in 2 gezeigten. Der Übersichtlichkeit halber wurde deshalb auf die vollständige Bezifferung verzichtet und hauptsächlich nur auf die Änderungen gegenüber 2 Wert gelegt.
Das zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 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 4 entfällt die Konstantstromquelle SQ. Dafür umfaßt der Frequenzgenerator F zusätzlich einen Gleichspannunggenerator.
In einem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der temperaturabhängige Widerstand R_T 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 zur Auswertung zugeführt.
Im Sendebetrieb, d. h. wenn Burst (Ultraschallspannungssignale) erzeugt werden, ist der Schalter S1 geschlossen und der Schalter 33 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 R_T und dem bekannten Widerstandswert des Widerstands R_L sowie dem Referenzwiderstand R_ref und dem Widerstand R_A 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 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 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 R_T, L, R_L die Temperatur T des Temperatursensors T1 bestimmt werden.
In 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 ihr Einfluß bei der Bestimmung des Durchflusses berücksichtigt werden.

Claims

Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandlern (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, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement (P1, P2) ein Temperatursensor (T1) geschaltet ist, dessen Temperatur (T) während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung (100) bestimmt wird, und der Temperatursensor (T1) aus einer Spule (L) und einem temperaturabhängigen Widerstand (R_T) oder aus einer Spule (L) und einem Thermoelement (Th) besteht.
Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Temperatursensor (T1) ein Referenzwiderstand (R_ref) geschaltet ist und die Temperatur (T) des temperaturabhängigen Widerstands (R_T) aus dem Vergleich der Widerstandswerte des temperaturabhängigen Widerstands (R_T) und des Referenzwiderstands (R_ref) gewonnen wird.
Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 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_T) oder des Thermoelements (Th) bestimmt wird.