DE102019121542A1

DE102019121542A1 - Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids

Info

Publication number: DE102019121542A1
Application number: DE102019121542.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Müller
Original assignee: Sensus Spectrum LLC
Current assignee: Sensus Spectrum LLC
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-02-11
Also published as: WO2021028222A1; US20220316932A1; CN114450563A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids, umfassend eine Messrohranordnung (10) mit einem Rohr (12), wenigstens einen Ultraschallsensor (18a) zum Senden eines akustischen Signals, wenigstens einen Ultraschallempfänger (18b) zum Empfangen des vom Ultraschallsensor abgegebenen akustischen Signals, ein Reflexionselement (20) zur Reflexion des akustischen Signals, wobei die Wand des Rohrs (12) eine durchgehende Öffnung (32) aufweist, die von dem Reflexionselement (20) bedeckt ist, wobei das Reflexionselement (20) formschlüssig an der Wand des Rohrs (12) befestigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses des durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids mittels Ultraschallsensoren nach dem Laufzeit-Differenzverfahren .
Bei der Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids mittels Ultraschallsensoren nach dem Laufzeit-Differenzverfahren werden akustische Signale mittels eines Ultraschallsensors in das Fluid eingekoppelt. Ein Ultraschallempfänger nimmt das Signal am Ende der vorgegebenen Wegstrecke des Signals auf. Aus der gemessenen Laufzeit des Signals im Vergleich zu einer gemessenen Laufzeit eines Signals in einem Zustand, in dem das Fluid im Messrohr nicht strömt, lässt sich in Kenntnis der Messrohrgeometrie der Durchfluss eines strömenden Fluids durch das Messrohr bestimmen.
Um den Laufweg des Signals zu verlängern oder auch aus baulichen Gründen sind zwischen Ultraschallsensor und Ultraschallempfänger Reflexionsstellen vorgesehen, an denen das eingekoppelte Signal reflektiert wird, so dass das eingekoppelte Signal beispielsweise einem V-förmigen oder W-förmigen Pfad entlangläuft. Hierbei können diese Reflexionsstellen vom Messrohr selbst gebildet werden.
In vielen Fällen sind Messrohre mit einer Pulverbeschichtung versehen, um Metalle vor Korrosion zu schützen. Dies hat zur Folge, dass das an der pulverbeschichteten Rohrwand reflektierte Ultraschallsignal schwächer ist als das an einer glatten Messwand reflektierte Ultraschallsignal. Dies führt wiederum dazu, dass das Messergebnis bei der Verwendung eines pulverbeschichteten Messrohrs im Vergleich zu Messrohren mit einer glatten Metallfläche eine höhere Ungenauigkeit aufweist.
Aus diesem Grund werden Reflexionselemente vorgesehen, die als separate Bauteile ausgebildet sind und sich im Inneren des Messrohrs befinden.
Hierbei stellt sich die Frage der Befestigung des Reflexionselements in dem Messrohr.
Zum einen muss das Reflexionselement sicher in dem Messrohr gehalten werden, damit es nicht mit dem durch das Messrohr hindurchströmende Fluid mitgerissen wird. Andererseits soll das Reflexionselement nicht die Strömung, insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Messrohr hindurchströmenden Fluids beeinflussen. Darüber hinaus darf das Reflexionselement zu keiner unerwünschten Wirbelbildung oder turbulenten Strömung im Messrohr führen.
Aus der DE 10 2012 101 098 A1 ist beispielsweise bekannt, das als separates Bauteil ausgebildete Reflexionselement an dem Messrohr anzuschweißen, anzulöten oder anzukleben. Hierbei handelt es sich allerdings um relativ aufwändige Fügeverfahren.
Die WO 2016/012024 A1 beschreibt einen Einsatz in einem Messrohr, bei dem ein zusätzliches Fixierelement vorgesehen ist, um ein Reflexionselement sicher an der Innenwand des Messrohrs zu halten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Durchflussmesser mit einer Messrohranordnung bereitzustellen, bei dem das Reflexionselement einfach, sicher und ohne zusätzliches Fixierelement an dem Messrohr befestigt ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids, umfassend eine Messrohranordnung mit einem Rohr, wenigsten einen Ultraschallsensor zum Senden eines akustischen Signals, wenigstens einen Ultraschallsensor zum Empfangen des vom Ultraschallsensor abgegebenen akustischen Signals, ein Reflexionselement zur Reflexion des akustischen Signals, wobei die Wand des Rohrs eine durchgehende Öffnung aufweist, die von dem Reflexionselement bedeckt ist, wobei das Reflexionselement formschlüssig an der Wand des Rohrs befestigt ist.
Das formschlüssige Befestigen des Reflexionselements an der Wand des Rohrs ermöglicht zum einen einen sicheren Halt des Reflexionselements an dem Innenrohr und zum anderen eine vergleichsweise einfache Montage. Hierbei ist die Montage besonders einfach, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Reflexionselement an der Außenseite des Rohrs befestigt ist.
Vorzugsweise besteht zwischen dem Reflexionselement und der Wand des Rohrs eine Rastverbindung.
Es ist weiter von Vorteil, dass das Reflexionselement zumindest in Längsrichtung des Rohrs flächenbündig zur Innenwand des Rohrs ausgerichtet ist, um störende Einflüsse des Reflexionselements auf das durch das Messrohr hindurchströmende Fluid zu vermeiden, insbesondere um eine Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch das Messrohr sowie Wirbelbildungen im Inneren Messrohrs zu verhindern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Reflexionselement eine ebene Fläche auf, die als Reflexionsfläche für das Ultraschallsignal dient.
Zur Befestigung des Reflexionselements an dem Rohr sind vorzugsweise Befestigungsmittel, insbesondere Fixierösen und/oder Flachlaschen vorgesehen.
Hierbei ist es von Vorteil, dass das Rohr Gegenbefestigungsmittel wie etwa Rastnasen aufweist.
Um Bauteiltoleranzen des Reflexionselements auszugleichen, weist die Rastnase hierbei vorzugsweise Ausgleichsflächen auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Rohr um ein Innenrohr der Messrohranordnung.
Es ist weiter von Vorteil, dass das Innenrohr wenigstens einen geraden Wandabschnitt aufweist, der sich vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung erstreckt. Dies erleichtert den Einbau sowohl des Ultraschallsensors als auch des Reflexionselements, wenn der Ultraschallsensor und/oder das Reflexionselement an dem geraden Wandabschnitt an dem Messrohr befestigt werden.
Um sowohl eine ebene Einbaufläche für die Ultraschallsensoren und/oder das Reflexionselement bereitzustellen als auch die Strömung in dem Messrohr nicht zu beeinflussen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Rohr in Axialrichtung wenigstens eine rippenförmige Ausbuchtung aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:

1 einen Längsschnitt durch eine Messvorrichtung mit eingebauten Ultraschallsensoren und Reflexionselementen,
2 ein Innenrohr einer Messvorrichtung in perspektivischer Ansicht sowie Reflexionselemente in zerlegter Darstellung,
3 eine perspektivische Ansicht eines Innenrohrs einer Messvorrichtung mit eingebauten Reflexionselementen,
4 einen Querschnitt durch ein Innenrohr im Bereich eines Reflexionselements.

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messvorrichtung 10 zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids mit einem Messrohr 12, welches ein Außenrohr 14, in welchem sich ein Innenrohr 16 befindet, aufweist. Weiterhin sind Ultraschallsensoren 18a, 18b zum Senden bzw. Empfangen von akustischen Signalen vorgesehen.
Ein Paar von Ultraschallsensoren 18a, 18b besteht aus einem Ultraschallsensor 18a zum Senden von akustischen Signalen und aus einem Ultraschallsensor 18b zum Empfangen von akustischen Signalen. Es sind drei Paare von Ultraschallsensoren 18a, 18b vorgesehen, die in Umfangsrichtung äquidistant um das Außenrohr 14 verteilt angeordnet sind, von denen in 1 nur ein Paar zu erkennen ist. Jedes einzelne Paar von Ultraschallsensoren 18a, 18b ist in axialer Richtung des Messrohrs 12 ausgerichtet.
An der Innenwand des Innenrohrs 16 befinden sich Reflexionselemente 20 zur Reflexion eines akustischen Signals. Es sind drei Reflexionselemente 20 vorgesehen, die zwischen den einzelnen Paaren von Ultraschallsensoren 18a, 18b in Umfangsrichtung um das Messrohr 12 äquidistant verteilt angeordnet sind. Jedes Reflexionselement 20 ist einem Paar von Ultraschallsensoren 18a, 18b zugeordnet und so positioniert, dass der Signalweg von dem Ultraschallsensor 18a zum Senden von akustischen Signalen zu dem Ultraschallsensor 18b zum Empfangen von akustischen Signalen eines Ultraschallsensorpaares V-förmig ausgebildet ist.
In 2 sind das Innenrohr 16 und drei Reflexionselemente 20 in zerlegter Darstellung dargestellt. Das Innenrohr 16 verfügt über sechs rippenartige Strukturen 22, die sich jeweils in axialer Richtung des Innenrohrs 16 erstrecken und äquidistant entlang des Umfangs des Innenrohrs 16 verteilt sind. Die rippenartigen Strukturen 22 weisen eine ebene Oberseite 24, zwei sich in axialer Richtung erstreckende Längsseiten 26 sowie zwei Endabschnitte 28 auf. Die ebene Oberseite 24 bewirkt, dass das im Querschnitt runde Innenrohr 16 zumindest abschnittsweise einen geraden Wandabschnitt erhält. Um einen stufenlosen Übergang zwischen der Wand des Innenrohrs 16 und der rippenartigen Struktur 22 in Längsrichtung des Messrohrs 12 zu erhalten, verringert sich die Höhe der Längsseite 26 kontinuierlich in Richtung des jeweiligen Endabschnitts 28.
An diesen rippenartigen Strukturen 22 sind Aufnahmen 30 für die Ultraschallsensoren 18a, 18b sowie Öffnungen 32 für die Reflexionselemente 20 vorgesehen, wobei eine rippenartige Struktur 22 entweder Aufnahmen 30 für die Ultraschallsensoren 18a, 18b oder eine Öffnung 32 für ein Reflexionselement 20 aufweist. Die Größe und Kontur der Aufnahmen 30 bzw. Öffnungen 32 ist der Größe und Kontur der Ultraschallsensoren 18a, 18b bzw. der Reflexionselemente 20 angepasst, so dass diese passgenau an der Wand des Innenrohrs 16 befestigt werden können.
Das Reflexionselement 20 umfasst eine ebene Platte 34, wobei an zwei entgegengesetzt liegenden Seiten jeweils eine Fixieröse 36 und zwei Flachlaschen 38 vorgesehen sind. Die Fixieröse 36 und die beiden Flachlaschen 38 sind mit geringem Abstand voneinander angeordnet, gegenüber der ebenen Platte 34 abgewinkelt und weisen insbesondere einen Winkel von etwa 90° auf. Die ebene Platte 34 dient als Reflexionsfläche für das Ultraschallsignal, während die Fixieröse 36 und die beiden Flachlaschen 38 Befestigungsmittel darstellen.
Im Bereich der Öffnung 32 befinden sich, wie insbesondere in 4 zu erkennen ist, an jeder Längsseite 26 der rippenartigen Struktur 22 nach außen weisende Rastnasen 40, die als Gegenbefestigungsmittel für eine Fixieröse 36 dienen. Die Rastnasen 40 sind jeweils an ihrer Unterseite 42 abgeschrägt. Weiterhin sind an der Längsseite der rippenartigen Struktur 22 im Bereich der Öffnung Führungsschienen 44 (siehe 2) vorgesehen, die in ihrer Breite dem Abstand von Fixieröse 36 und Flachlaschen 38 entsprechen. Die Führungsschienen 44 sind mit Abstand beidseitig der Rastnase 40 angeordnet.
3 zeigt das Innenrohr 16 mit Reflexionselementen 20 im eingebauten Zustand. Das Reflexionselement 20 sitzt passgenau in der entsprechenden Öffnung 32 und bedeckt die Öffnung somit vollständig. Wie in 1 zu erkennen ist, ist das Reflexionselement 20 so angeordnet, dass das Reflexionselement 20 und die Innenwand des Innenrohrs 16 eine ebene Fläche ausbilden.
Zur Montage der Reflexionselemente 20 werden diese über die Öffnung 32 des Innenrohrs 16 gelegt. Die Flachlaschen 38 des Reflexionselements 20 dienen zusammen mit den Führungsschienen 42 an der rippenartigen Struktur 22 als Positionierhilfe. Die Flachösen 36 wechselwirken mit der Rastnase 40 und bilden somit eine Rastverbindung. Die Abschrägung der Rastnase 40 an ihrer Unterseite gleicht Bauteiltoleranzen des Reflexionselements 20 aus.
Bei der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform weist das Innenrohr 16 an seinem Einlass bzw. Auslass einen größeren Durchmesser als in der Mitte des Innenrohrs 16 auf. Das Innenrohr 16 liegt somit am an seinem Einlass bzw. Auslass an der Innenwand des Außenrohrs 14 an. Um diese Art der Befestigung des Innenrohrs 16 an dem Außenrohr 14 beizubehalten, ragen die rippenartigen Strukturen 22 in radialer Richtung nicht über den Auslass bzw. Einlass des Innenrohrs hinaus.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Innenrohr weggelassen werden. In diesem Fall weist das Außenrohr die in Zusammenhang mit dem Innenrohr beschriebenen rippenartigen Strukturen auf. Bei dieser Ausführungsform können die rippenartigen Strukturen auch über den Durchmesser des Außenrohrs hinausragen.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ultraschallsensoren 18a, 18b in Öffnungen des Außenrohrs 14 und des Innenrohrs 16 angeordnet. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Ultraschallsensoren auch in der Art einer Clamp-on-Verbindung auf der Außenseite des Außenrohrs befestigt sein.
Wenn die Erfindung auch in Zusammenhang mit drei Paaren an Ultraschallsensoren dargestellt wurde, so ist diese auch in anderen Messvorrichtungen einsetzbar, die mindestens ein Ultraschallsensorpaar aufweisen.
Es versteht sich, dass die Merkmale einzelner Ausführungsformen untereinander kombiniert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101098 A1 [0008]
WO 2016/012024 A1 [0009]

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines durch einen Rohrabschnitt hindurchströmenden Fluids, umfassend eine Messrohranordnung (10) mit einem Rohr (12), wenigstens einen Ultraschallsensor (18a) zum Senden eines akustischen Signals, wenigstens einen Ultraschallempfänger (18b) zum Empfangen des vom Ultraschallsensor abgegebenen akustischen Signals, ein Reflexionselement (20) zur Reflexion des akustischen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Rohrs (12) eine durchgehende Öffnung (32) aufweist, die von dem Reflexionselement (20) bedeckt ist, wobei das Reflexionselement (20) formschlüssig an der Wand des Rohrs (12) befestigt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) an der Außenseite des Rohrs (12) befestigt ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Reflexionselement (20) und der Wand des Rohrs (12) eine Rastverbindung besteht.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) zumindest in Längsrichtung des Rohrs (12) flächenbündig zur Innenwand des Rohrs (12) ausgerichtet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) eine ebene Fläche (34) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) Befestigungsmittel, insbesondere Fixierösen (36) und/oder Flachlaschen (38) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) Gegenbefestigungsmittel, insbesondere Rastnasen (40) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenbefestigungsmittel wenigstens eine Rastnase (40) aufweist, wobei die wenigstens eine Rastnase (40) Ausgleichsflächen (42) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) ein Innenrohr (16) ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) wenigstens einen geraden Wandabschnitt aufweist, der sich in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung erstreckt.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) an dem geraden Wandabschnitt an dem Rohr (12) befestigt ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) in Axialrichtung wenigstens eine rippenförmige Struktur (22) aufweist.