DE19605164C2 - Ultraschall-Strömungsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige und gasförmige Medien mit einer durchströmten Meßkammer mit Ultraschall-Wandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Signalen, die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung für die Meßsignale der Ultraschall-Wandler.

Der Meßeffekt sprich die Genauigkeit eines Ultraschall-Durchflußmessers ist line­ ar abhängig von der Länge der Ultraschall-Meßstrecke. Bei solchen Durchfluß­ messern ist somit eine möglichst lange Meßstrecke erforderlich. Die maximale Meßrohrlänge wird jedoch beschränkt durch die Baulänge der Meßwertgeber, die - überwiegend als Volumenmeßteile in der Haustechnik eingesetzt - strengen Ein­ bauvorschriften unterliegen. So beträgt z. B. die maximale Baulänge eines Wär­ mezählers, der für einen Nenndurchfluß von 1500 1/h ausgelegt ist, 110 mm. Auf­ grund der geringen Meßrohrlänge werden erhebliche Anforderungen an die Aus­ werteelektronik gestellt, die Zeitdifferenzen von typischerweise 2 ns bei Minimal­ durchfluß mit einer Genauigkeit von +/-40 ps bestimmen muß.

Um eine gegenüber der Einbaulänge größere Länge der Ultraschallmeßstrecke zu erreichen, ist auch bereits vorgeschlagen worden (DE 42 13 170 C2), die Meß­ strecke wendelförmig aufzuwickeln, so daß je nachdem, wieviele Wendelgänge vorgesehen sind, eine entsprechende Verlängerung der Meßstrecke möglich ist. Abgesehen von der komplizierten Ausbildung einer solchen Rohrwendel, wenn man mehrere Gänge vorsehen will, ergibt sich auch hier eine bauliche Begren­ zung, da die Wendel natürlich nicht beliebig lang gemacht werden kann, da ja dann die Ausdehnung quer zur Einbaurichtung unzulässig groß würde.

Die gleiche Einschränkung der erzielbaren Meßstreckenverlängerung ergibt sich auch bei einer Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung, wie sie in der Offenlegungs­ schrift 28 33 793 beschrieben ist. Bei dieser ist ebenfalls ein einfacher aufge­ schnittener Kreisbogen vorgesehen, an dessen Enden die Zu- und Abflußstutzen der Flüssigkeit angeschlossen sind. Bezogen auf die Querabmessung ergibt sich also eine maximale Meßstreckenverlängerung um den Faktor π, also um das Dreifache. Weitere Erhöhungen sind grundsätzlich nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall- Strömungsmeßgerägt zu schaffen, das mit einem Meßwertgeber arbeitet, dessen Meßstrecke praktisch unabhängig von der Einbaulänge des Meßwertgebers ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Meßkam­ mer einen kreisringförmigen Meßkanal aufweist, in welchem durch entsprechende Gestaltung der Zu- und Abläufe eine rotierend umlaufende Bewegung des zu messenden Mediums stattfindet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine mehrfache Durchschallung des Meßkanals erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung - das jeweilige Empfangszeitfenster wird dabei so bestimmt, daß beispielsweise nach 10 Umläufen des Schalls im kreis­ ringförmigen Meßkanal einmal mit und einmal entgegen der Strömungsrichtung des zu messenden Mediums die relative Verzögerung zwischen den beiden ent­ gegengesetzt umlaufenden Ultraschall-Wellen bestimmt wird, lediglich durch die Verluste des Ultraschall-Signals ist dabei die Zahl der Umläufe begrenzt - kann man theoretisch eine nahezu beliebig lange Meßstrecke durch entsprechend vielfaches Durchschallen des kreisringförmigen Meßkanals erzeugen.

Zur Erzielung der rotierend umlaufenden Bewegung im Meßkanal kann dieser vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten mit geneigt zur Längsach­ se einmündenden Zu- und Ablaufschlitzen versehen sein, wobei sowohl die Zu­ laufschlitze als auch die Ablaufschlitze äquidistant verteilt in einer größeren An­ zahl vorgesehen sind.

Einen besonders günstigen Aufbau des Meßwandlers eines solchen erfindungs­ gemäßen Ultraschall-Meßgeräts erhält man in Ausgestaltung der Erfindung da­ durch, daß der Einlaufstutzen einer dosenförmigen Meßkammer mit dem Innen­ raum des kreisringförmigen Meßkanals und der Ablaufstutzen der Meßkammer mit einem den Meßkanal umgebenden ebenfalls kreisringförmigen Sammelkanal ver­ bunden sind. Dies ergibt eine sehr kompakte Baueinheit, bei der die Ein- und Ab­ laufstutzen einander diametral gegenüberliegen können, wobei der Einlaufverbin­ dungskanal zum Innenraum des Meßkanals, von wo aus dann durch die geneig­ ten Schlitze das Medium in den Meßkanal eingeleitet wird, unter oder über den kreisringförmigen Kanälen geführt ist.

Obgleich selbstverständlich auch andere Formen von Ultraschall-Meßwandlern eingesetzt werden können, die dann allerdings zur Vermeidung einer Beeinträch­ tigung des Strömungsquerschnitts in die Meßkanalwand eingebaut sein müssen, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Ultraschall-Wandler ringförmig, vorzugsweise mit gleichem lichtem Innenquerschnitt wie der Meßkanal, ausgebildet sind.

Neben der üblichen Ausbildung eines Ultraschall-Meßwertgebers mit zwei Ultra­ schall-Wandlern im Meßkanal, die im Falle der vorliegenden Erfindung vorzugs­ weise um 180° versetzt angeordnet sein sollen, kann infolge der erfindungsgemä­ ßen kreisringförmigen Ausbildung des Meßkanals, der mehrfach durchschallt wird, auch nur ein Ultraschall-Wandler vorgesehen sein, der gleichzeitig als Sender und Empfänger für Ultraschall-Signale in beiden Laufrichtungen in unterschiedlichen Zeitfenstern arbeitet. Dies ermöglicht mit einem erheblich geringeren Aufwand von nur einem Ultraschall-Wandler pro Meßgerät infolge der mehrfachen Durchschal­ lung der Meßstrecke und damit der nahezu beliebigen Verlängerung dieser Meß­ strecke unabhängig von der Einbaulänge nach wie vor die Verwendung einer sehr einfach aufgebauten elektronischen Auswerteeinrichtung, die bei weitem nicht die große Genauigkeit aufweisen muß und damit auch nicht den hohen Bauaufwand, wie herkömmliche elektronische Auswerteeinrichtungen für die bekannten Ultra­ schall-Meßwertgeber mit relativ kurzer Meßstrecke.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Ultraschall-Meßwertgeber eines erfin­ dungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgeräts, und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Der gezeigte Ultraschall-Meßwertgeber - die Auswerteelektronik ist überhaupt nicht mit dargestellt , da sie gegenüber bekannten elektronischen Auswerteein­ richtungen keinerlei nennenswerte Unterschied besitzt, sondern sogar noch er­ heblicher einfacher aufgebaut sein kann - umfaßt einen dosenförmigen Grundkörper 1 mit darin angeordneten, einen Einlaufstutzen 2 mit einem Auslaufstutzen 3 auf der gegenüberliegenden Seite verbindenden, Kanälen. Der Einlaufstutzen 2 ist über einen Einlaufverbindungskanal 4, der unterhalb der eigentlichen Meßkanäle ge­ führt ist, mit dem Innenraum 5 eines kreisringförmigen Meßkanals 6 verbunden, der seinerseits von einem kreisringförmigen Sammelkanal 7 umgeben ist, der auf der rechten Seite in den Auslaufstutzen 3 einmündet. Das zu messende Medium, insbesondere eine zu messende Flüssigkeit, gelangt vom Einlaufstutzen 2 über den Verbindungskanal 4 in den Ringraum 5 und von dort über eine Vielzahl von äquidistant verteilten und vorzugsweise gebogen ausgebildeten, jedenfalls ge­ neigt zur Längsachse des Meßkanals 6 angeordneten, Zulaufschlitzen 8 in den Meßkanal, so daß das Medium in eine rotierend umlaufende Bewegung versetzt wird. Der Austritt erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel auf der gegenüber­ liegenden Seite durch entsprechend ausgebildete Ablaufschlitze 9, die in den Sammelkanal 7 einmünden, von wo aus das Medium dann über den Ablaufstut­ zen 3 den Ultraschall-Meßwertgeber wieder verläßt.

In die Wandungen des Meßkanals 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei einander um 180° gegenüberliegende Ultraschall-Wandler 10 und 11 eingebaut, deren lichter Innenquerschnitt dem lichten Innenquerschnitt des Mekanals ent­ spricht, so daß die Wandler den Strömungsdurchfluß im Meßkanal überhaupt nicht beeinträchtigen.

Der Querschnitt der verschiedenen Kanäle kann in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein, mehreckig, rund und oval, wobei speziell im Falle des kreisring­ förmigen Meßkanals 6 die Form und die Abmessungen so gewählt sein sollen, daß die Ultraschall-Ausbreitung im Meßkanal im Grundmode erfolgt. Dies ergibt eine weitere Vereinfachung der Auswerteelektronik.

Die Messung erfolgt nun so, daß beispielsweise der Ultraschall-Meßwertgeber 10 als Geber ausgebildet ist, der Schallwellen in beiden Richtungen durch den Meß­ kanal laufen läßt, die dann im Ultraschall-Meßwertgeber 11 empfangen werden, und zwar in einem versetzten Zeitfenster, derart, daß die Messung erfolgt, wenn n-Durchschallungen des Meßkanals stattgefunden haben. Die ausnutzbare Zahl der Durchschallungen hängt dabei weitestgehend von den unvermeidlichen Ultra­ schall-Verlusten ab und der noch erforderlichen Restintensität, die ohne allzu gro­ ßen Aufwand vom Ultraschall-Empfangswandler festgestellt und in der Auswerte­ lektronik ausgewertet werden kann. Die Laufzeitunterschiede der in unterschiedli­ chen Richtungen einmal mit und einmal entgegen der Strömungsrichtung gelaufe­ nen Ultraschall-Wellen sind ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und damit im Hinblick auf die konstanten Querschnitte für die Durchflußmenge des zu messenden Mediums.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Ne­ ben der Möglichkeit, auch andere Querschnitte für den kreisringförmigen Meßka­ nal 6 und den Sammelkanal 7 zu wählen als die abgerundete Rechteckform, die der Einfachheit halber in Fig. 1 dargestellt worden ist, beispielsweise wäre auch ein kreisförmiger Querschnitt besonders geeignet, wobei aber in allen Fällen die Einmodigkeit der Ausbreitung angestrebt werden sollte, kann anstelle der gezeig­ ten Ausbildung mit zwei Ultraschall-Meßwandlern 10 und 11 auch nur ein solcher Ultraschall-Meßwandler vorgesehen sein, der zunächst als Sender wirkt, um in versetzten Zeitfenstern dann als Empfänger für die Welle in der einen und die Welle in der anderen Laufrichtung zu fungieren. Man erspart auf diese Art und Weise - und dies praktisch ohne nennenswerte Verkomplizierung der Auswer­ teelektronik - einen der Ultraschall-Meßwandler.

Claims (8)

1. Ultraschall-Strömungsgemeßgerät für flüssige und gasförmige Medien mit einer durchströmten Meßkammer mit Ultraschall-Wandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Signalen, die die Meßkammer mit und ent­ gegen der Strömungsrichtung durchsetzen, sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung für die Meßsignale der Ultraschall-Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer einen kreisringförmigen Meßkanal (6) aufweist, in welchem durch entsprechende Gestaltung der Zu- und Ab­ läufe eine rotierend umlaufende Bewegung des zu messenden Mediums stattfindet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine mehrfache Durchschallung des Meßkanals (6) erfolgt.

2. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der kreisringförmige Meßkanal (6) vorzugsweise auf einander ge­ genüberliegenden Seiten mit geneigt zur Längsachse einmündenden Zu- und Ablaufschlitzen (8, 9) versehen ist.

3. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schlitze (8, 9) gebogen sind.

4. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einlaufstutzen (2) eines dosenförmigen Meßgehäuses (1) mit dem Innenraum (5) des Meßkanals (6) und der Ab­ laufstutzen (3) der Meßkammer mit einem den Meßkanal (6) umgebenden ringförmigen Sammelkanal (7) verbunden sind.

5. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandler (10, 11) ringförmig, vor­ zugsweise mit gleichem lichtem Innenquerschnitt wie der Meßkanal (6) ausgebildet sind.

6. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen des Meßka­ nals (6) derart gewählt sind, daß die Ultraschall-Ausbreitung im Meßkanal (6) im Grundmode erfolgt.

7. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch zwei, vorzugsweise um 180° versetzte, Ultraschall-Wandler (10, 11) im Meßkanal.

8. Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß nur ein Ultraschall-Wandler vorgesehen ist, der als Sender und Empfänger für Signale in beiden Laufrichtungen in unter­ schiedlichen Zeitfenstern arbeitet.