DE19503714A1

DE19503714A1 - Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE19503714A1
Application number: DE1995103714
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Alberti; Stefan-Alexander Dr Arlt
Original assignee: Suedrohrbau & Co GmbH
Current assignee: Suedrohrbau & Co GmbH
Priority date: 1995-02-04
Filing date: 1995-02-04
Publication date: 1996-08-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mit Hilfe von Ultraschallsignalen.

Eine solche Anordnung wird vorzugsweise überall dort angewendet, wo die Durchflußgeschwindigkeit eines strömenden Mediums, vorzugsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung erfaßt werden soll.

In der Vergangenheit wurden zur Strömungsmessung häu fig Strömungsmesser mit Blende oder Turbinenradzähler als Strömungsmesser eingesetzt. Diese Strömungs messer sind sehr materialintensiv und damit mit hohen Herstellungskosten verbunden. Außerdem sind diese Anordnungen in ihrer Reaktionszeit sehr träge. Bei den akustischen Strömungsmeßgeräten dagegen sieht dies anders aus, weil der Materialaufwand unabhängig vom Rohrdurchmesser ist.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe von Ultraschallsignalen werden die sogenannte Laufzeit differenzmessung mit der Phasendifferenzmessung als Spezialfall und die direkte Laufzeitmessung mit dem Sing-around-Verfahren angewendet.

Die direkte Laufzeitmessung arbeitet mit Ultraschall impulsen, die von einem Sender ausgesendet werden und, nachdem sie entlang einer Strömungsstrecke gelaufen sind, von einem Empfänger empfangen werden. Jeder empfangene Impuls löst dabei einen neuen Sendeimpuls aus.

Bedingt durch das Eigenschwingverhalten von Sender und Empfänger ist die Erfassung der Impulsflanken zum Zweck der Laufzeitmessung mit erhöhtem Aufwand verbunden.

Weiterhin ist es bekannt, die Phasenverschiebung, die ein von einem Sender ausgehendes Ultraschallsignal bis zu seinem Empfang während seiner Laufzeit durch das strömende Medium zu messen.

Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger, die das Signal zurücklegt, wird als Meßpfad bezeichnet, wobei zur genauen Messung mehrere Meßpfade notwendig sind. Die Durchflußmessung mittels der Ultraschallaufzeit methode liefert die längs eines akustischen Pfades gemittelte Strömungsgeschwindigkeit. Der K-Faktor lie fert den Zusammenhang zwischen der längs eines Pfades gemittelten und der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit der Strömung. Letztere Größe ist für die Durchflußmessung von Bedeutung. Für die Bestimmung des K-Faktors ist die Reynoldszahl und das Strömungsprofil Grundlage. Das Strömungsprofil ist im Bereich des Überganges von laminarer zu turbulenter Strömung aus hydrodynamischen Gründen nicht sicher vorhersagbar. Des weiteren ist die Reynoldszahl von der Dichte und der dynamischen Viskosität, die ausreichend genau bestimmt werden muß, abhängig. Aus der genannten Problematik hinsichtlich der Bestimmung des K-Faktors ergeben sich bei der Durchflußmessung mit nur einem akustischen Pfad Meßunsicherheiten. Ein weiterer Einfluß auf Meßfehler stellt ein asym metrisches Strömungsprofil dar, das unter anderem nach Krümmern auftritt.

Weiterhin muß das Meßergebnis unabhängig von der Sekundärströmung, die die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptströmung ist, sein.

In EP 0 268 314 wird das Problem durch Verwendung von Meßpfaden mit jeweils 2 Ultraschallwandlern gelöst. Die Ultraschallmeßwandler sind parallel zur Rotorachse in einer Ebene angeordnet. Diese Lösung ist bedingt durch die große Anzahl von Ultraschallwandlern sehr kostenintensiv. Darüber hinaus ist bei geringen Durchmessern des Rohres die Anordnung von 10 Ultra schallmeßwandlern nicht mehr möglich.

In US 4 103 551 wird eine Lösung beschrieben, bei der nur ein einziger Meßpfad verwendet wird, der in der Weise angeordnet ist, daß für symmetrische Strömungsprofile, die laminar oder turbulent sein können, sich die über den Querschnitt gemittelte Geschwindigkeit ergibt, wobei jedoch asymmetrische und verwirbelte Strömungen zu Meßfehlern führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultra schallmeßeinrichtung anzugeben, die mit Hilfe der Laufzeitmethode der Ultraschallsignale die Strömungs geschwindigkeit von symmetrischen und asymmetrischen Strömungen, wie sie speziell hinter Krümmungen auftreten, sicher und kostengünstig zu ermitteln, wobei besonders im Über gangsbereich von laminarer zu turbulenter Strömung das Strömungsprofil mit hoher Sicherheit und Genauigkeit bestimmt werden soll.

Dabei ist es besonders wichtig, mit einer möglichst geringen Anzahl von Meßpfaden bzw. Meßwandlern alle notwendigen Informationen zu erhalten, um den genauen Durchfluß in Abhängigkeit vom vorhandenen Strömungs profil zu ermitteln. Die Meßergebnisse der einzelnen Meßpfade sollen nicht durch die Sekundärströmung beeinflußt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Verwendung des an sich bekannten Verfahrens zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in und entgegen der Strömungsrichtung in Kombination mit einer speziellen Anordnung, die aus 6 Ultraschallwandlern besteht, gelöst.

Die genaue Lösung ist im Hauptanspruch wiedergegeben und wird durch die Unteransprüche weiter präzisiert. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit weist 3 Meßpfade mit je 2 Ultraschallwandlern auf.

Ein erster Meßpfad mit der Länge L1, bestehend aus einem ersten und einem vierten Ultraschallwandler, die eine Ebene bilden, die die Rohrachse schneidet und den Rohrquerschnitt in je zwei Bereiche gleicher Fläche teilt. Das Ultraschallsignal, das der erste oder vierte Ultraschallwandler sendet, wird an der gegen überliegenden Wand reflektiert. Da der Meßpfad in der Ebene parallel zur Rohrachse liegt, sind die gemes senen Laufzeiten (in bzw. entgegen der Strömungsrichtung) nicht durch die Sekundärströmung beeinflußt.

Am Rohr sind zwei weitere Ultraschallwandlerpaare angeordnet, die jeweils einen weiteren Meßpfad bilden. Der zweite Meßpfad, bestehend aus einem zweiten und einem dritten Ultraschallwandler, spannt eine Ebene auf, die die Rohrachse in einem Winkel alpha schnei det. Der zweite und dritte Ultraschallwandler sind oberhalb, der durch den, aus dem ersten und vierten Ultraschallwandler gebildeten Pfad, definierten Ebene angeordnet. Der dritte Meßpfad wird aus einem fünften und sechsten Ultraschallwandler gebildet und schneidet die Rohrachse ebenfalls unter dem Winkel alpha. Der fünfte und sechste Ultraschallwandler sind unterhalb, der durch den aus dem ersten und vierten Ultraschall wandler gebildeten Meßpfad, definierten Ebene angeord net.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfin dungsgemäßen Lösung zur Bestimmung der gemittelten Strömungsgeschwindigkeiten längs der Meßpfade bei der Ermittlung des Durchflusses von Fluiden durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Anordnung für die Messung des Durchflusses durch Rohre mit geringem Durchmesser geeignet, wobei eine hohe Genauigkeit durch die besondere Anordnung der Meßpfade erzielt wird. Weiterhin ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Ein- und Auslauf möglich. Die besondere Anordnung der drei Meßpfade erlaubt eine kostengünstige Fertigung, da nur eine geringe Anzahl von Ultraschallwandler verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand eines Ausfüh rungsbeispieles näher erläutert:
Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 Rohrleitung im Querschnitt mit Anordnung der Ultraschallwandler,

Fig. 2 Rohrleitung im Längsschnitt mit Anordnung der Ultraschallmeßwandler.

In den Fig. 1 und 2 sind die erfindungsgemäße Anordnung der Ultraschallwandler am Rohrdurchmesser aufgezeigt. Die Ultraschallwandler sind am Rohr so angeordnet, daß die akustischen Impulse unter einem bestimmten Winkel beta in das Rohr eintreten. Die Ultraschallsignale breiten sich durch das strömende Medium zur gegenüberliegenden Rohrwand aus und werden von dort zum anderen Ultraschallwandler des gleichen Meßpfades reflektiert. Zur Ermittlung der Strömungs geschwindigkeit werden die Laufzeiten der gesendeten Ultraschallsignale im zweiten und dritten Meßpfad P2, P3 gemessen. Zum Messen der Laufzeiten des Ultra schallsignals des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 in Uhrzeigersinn, senden der zweite und fünfte Ultra schallwandler 2, 5 jeweils ein akustisches Signal aus, die durch den dritten bzw. sechsten Meßwandler 3, 6 empfangen werden.

Bei den beiden zuletztgenannten akustischen Meßpfaden wird das gesendete Ultraschallsignal ebenfalls an der gegenüberliegenden Rohrwandung reflektiert. Die Länge des zweiten und dritten akustischen Meßpfades ist gleich lang. Werden die Laufzeiten beider Meßpfade in Strömungsrichtung gemessen, so senden der zweite und fünfte Ultraschallwandler 2, 5 Ultraschallsignale aus. Das durch den zweiten und fünften Ultraschall wandler 2, 5 erzeugte Signal läuft im Uhrzeigersinn.

Bei Bestimmung der Laufzeiten gegen die Strömungs richtung senden der dritte und sechste Ultraschallwandler 3, 6 entgegen dem Uhrzeigersinn. Da die Laufzeiten in und entgegen der Strömungsrichtung beim erstem Meßpfad P1 durch Verwirbelung nicht beein flußt werden, lassen sich die Laufzeitdifferenzen des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 zum ersten Meßpfad P1 in Beziehung setzen, um die Stärke der Verwirbelung zu bestimmen. Nimmt man einen Wirbel an, der sich im Uhrzeigersinn dreht, so werden durch dessen Geschwindigkeitsbeitrag die Laufzeiten für die akustischen Ultraschallsignale des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 in Strömungsrichtung verkürzt bzw. gegen die Strömungsrichtung verlängert.

Die Laufzeitdifferenzen des zweiten und dritten Meß pfades P2, P3 sind somit vergrößert und werden mit der auf die Länge L1 des ersten Meßpfades P1 umgerechnete Laufzeit verglichen.

Beim Vorliegen eines asymmetrischen Strömungsprofiles bewirkt die besondere Meßpfadanordnung, die aus den zweiten und dritten bzw. fünften und sechsten Ultra schallwandlern 2, 3, 5, 6 gebildet werden, die Bestimmung des Durchflusses über die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit.

Bezugszeichenliste

P1 erster Meßpfad
P2 zweiter Meßpfad
P3 dritter Meßpfad
1 erster Ultraschallwandler
2 zweiter Ultraschallwandler
3 dritter Ultraschallwandler
4 vierter Ultraschallwandler
5 fünfter Ultraschallwandler
6 sechster Ultraschallwandler
L1 Länge des ersten Meßpfades
L2 Länge des zweiten Meßpfades
L3 Länge des dritten Meßpfades

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindig keit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall bestehend aus auf den Umfang des Rohres verteilte Ultraschallwandler, wobei jeweils zwei Ultraschallwandler durch einen Meßpfad miteinander gekoppelt sind und das von einem Ultraschallmeßwandler abgegebene Signal an der inneren Rohrwand reflektiert und von dem anderen Ultraschallwandler des Meßpfades empfangen wird durch Verwendung des an sich bekannten Verfahrens zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in und entgegen der Strömungsrichtung in Kombination mit einer speziellen Anordnung der verwendeten Ultraschallwandler gelöst, gekennzeichnet dadurch,
daß die erfindungsgemäße Anordnung aus 6 Ultra schallwandlern (1, 2, 3, 4, 5, 6) besteht, wobei jeweils zwei Ultraschallwandler einen Meßpfad (P1, P2, P3) bilden,
daß der erste Meßpfad (P1) aus einem ersten und einem vierten Ultraschallwandler (1, 4) gebildet wird und der erste Meßpfad (P1) parallel zur Rohr achse liegt und den Rohrquerschnitt in je zwei Be reiche gleicher Fläche teilt,
daß der zweite Meßpfad (P2) aus einem zweiten und einem dritten Ultraschallwandler (2, 3) gebildet wird und der zweite Meßpfad (P2) die Rohrachse in einem Winkel alpha schneidet und die beiden Ultra schallwandler (2, 3) oberhalb der von dem ersten und dem vierten Ultraschallwandler (1, 4) aufgespannten Ebene liegen,
daß der dritte Meßpfad (P3) aus einem fünften und einem sechsten Ultraschallwandler (5, 6) gebildet wird und der dritte Meßpfad (P3) die Rohrachse ebenfalls in einem Winkel alpha schneidet und die beiden Ultraschallwandler (5, 6) unterhalb der von dem ersten und dem vierten Ultraschallwandler (1, 4) aufgespannten Ebene liegen.

2. Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwin digkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge (L2) des zweiten Meßpfades (P2) gleich der Länge (L3) des dritten Meßpfades (P3) ist.

3. Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwin digkeit eines Fluides in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mittels Ultraschall nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die verwendeten Ultraschallwandler (1, 2, 3, 4, 5, 6) Ultraschallsender und/oder Ultraschallempfänger sind.