DE19627199A1 - Verfahren zur Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Durchflußmessung von Flüssigkeiten in offenen und geschlossenen Strömungen.

Am effektivsten kann diese Erfindung in Kanalisationssyste­ men zur Messung des Abwasserdurchsatzes in Rohrleitungen und offenen Kanälen angewandt werden.

Aus der SU-A 723 374 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Durchflußmessungen von mit veränderlichem Niveau fließenden Flüssigkeiten unter Berücksichtigung der Fließgeschwindig­ keit und der Höhe der Flüssigkeit durchgeführt werden.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der relativ unge­ nauen Erfassung des veränderlichen Flüssigkeitsniveaus, weil diese Flüssigkeitshöhe nicht direkt gemessen, sondern mit­ telbar durch Bestimmung der Laufzeiten von stromauf und stromab erzeugten Ultraschallimpulsen berechnet wird.

Aus der DE-A 32 23 393 ist ein anderes Verfahren zur Durch­ flußmessung von fließenden Flüssigkeiten in offenen und geschlossenen Strömungssystemen bekannt, bei dem die Durch­ flußmessung des Volumenstroms mittels einer über der Flüs­ sigkeitsoberfläche angeordneten Einrichtung durchgeführt wird, deren Meßprinzip auf der Durchlaufzeitmessung von Ul­ traschall-Strahlen stromaufwärts und -abwärts und vertikal zur Strömungsrichtung basiert. Dieses Verfahren kann für Messungen von Strömungen nicht angewandt werden, wenn das Flüssigkeitsniveau das der Gerätlage übersteigt.

Schließlich wird in der RU-Anmeldung Nr. 93025610/10/28/ 025332 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Ultraschallim­ pulse zur Fließgeschwindigkeitsmessung in einer Meßstrecke mittels eines unter der Flüssigkeitsoberfläche in der Strö­ mung angeordneten Durchflußmessers verwendet werden, wobei zur Höhenmessung Ultraschallimpulse in horizontaler Ebene auf einen Reflektor ausgestrahlt und von diesem nach oben zur Flüssigkeitsoberfläche umgelenkt werden, und die Lauf­ zeit dieser Strahlen gemessen wird. Aufgrund der Lage des Strahlers und des Reflektors können sich in der Strömung enthaltene Schmutzstoffe und Partikel an den Arbeitsflächen des Strahlers und des Reflektors ablagern, was die Funk­ tionseigenschaften und die Lebensdauer beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Ver­ fahren sowie eine Vorrichtung zur Durchflußmessung von Flüs­ sigkeiten aufzuzeigen, die auch nach langen Betriebszeiten wartungsarm genaue Meßergebnisse auch für feststoffhaltige Flüssigkeiten, wie z. B. Abwasser, liefern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zur Messung der Flüssigkeitshöhe dienenden Ultraschallimpulse horizontal in einem in der Strömung liegenden ultraschalleitenden Medium ausgesendet werden, das zumindest annähernd gleiche physika­ lische Eigenschaften bezüglich z. B. der Ultraschall-Leit­ fähigkeit und -Dämpfung wie die strömende Flüssigkeit hat.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Ultraschall-Wandlungsmodul des Durchflußmessers als eine Rinne ausgeführt ist, an deren gegenüberliegenden Längs­ seiten zwei Ultraschall-Sende/Empfangseinheiten zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit angebracht sind, wobei eine Einrichtung zur Höhenmessung der Flüssigkeit ein im Unterbau der Rinne befestigtes Funktionsbauteil aufweisen kann, in dem eine Ultraschall-Sende/Empfangseinheit und ein Ultra­ schall-Reflektor eingebaut sind, wobei das Material des Blocks zumindest annähernd gleiche physikalische Eigen­ schaften bezüglich z. B. der Ultraschall-Leitfähigkeit und -Dämpfung wie die strömende Flüssigkeit haben soll und zweckmäßig aus einem Kunststoff, wie Polystyrol, Polypro­ pylen bestehen kann.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Rinne für Durchflußmessungen in Rohrleitungen im Querschnitt eine Kreissegmentform hat und mit einer Befestigungseinrich­ tung versehen ist.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung lassen sich der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der schematischen Zeichnung entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen in einer Rohrleitung angeordneten Ultraschall- Wandlungsmodul eines Durchflußmessers in Draufsicht,

Fig. 2 den Modul nach Fig. 1 im Axialschnitt,

Fig. 3 den Modul nach Fig. 1 im Querschnitt,

Fig. 4 den Modul nach Fig. 1 in perspektivischer Ansicht, und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Moduls mit einem zusätzlichen Rückstrahler.

Der Durchflußmesser enthält einen in der Zeichnung darge­ stellten Ultraschall-Wandlungsmodul, der eine Rinne 1 aus Edelstahl von kreissegmentförmigem Querschnitt aufweist. An den beiden Seiten der Rinne 1 sind Sende-/Empfangseinheiten 2 und 3 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit unter vorgegebenen Winkeln zur Rinnenlängsachse befestigt, von de­ nen jeder Ultraschallimpulse aussenden und empfangen kann. Der in den Fig. 1 und 3 dargestellte Signalpfad 11 zwischen den beiden axial beabstandeten kombinierten Sende-/Empfangs­ einheiten 2, 3 verläuft in einer vorzugsweise horizontalen Ebene unter einem spitzen Winkel zur Durchflußrichtung A.

Im Unterbau der Rinne 1 ist ein Funktionsbauteil 4 angeord­ net, der ein Medium 5 enthält. Das Medium 5 kann als Block aus einem harten ultraschalleitenden Material ausgeführt sein und eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 6 aufwei­ sen. An dem der Einheit 6 gegenüberliegenden Ende des Me­ diums 5 ist ein Ultraschallreflektor 7 unter einem Winkel von 45° angeordnet, der die Ultraschallimpulse der Einheit 6 um 90° umlenkt. Das Medium 5 kann aus einem geeigneten Kunststoff, wie z. B. Polystyrol, Polypropylen od. dgl., dessen physikalische Eigenschaften insbesondere bezüglich der Ultraschall-Leitfähigkeit und der Ultraschall-Dämpfung denen der die Rinne durchströmenden Flüssigkeit entsprechen.

Das Funktionsbauteil 4 aus der Einheit 6, dem Kunststoff­ block 5 und dem Reflektor 7 kann vorgefertigt sein und auf einfache Weise so in den Unterbau der Rinne 1 eingebaut werden, daß seine Oberfläche mit der Bodenfläche der Rinne fluchtet. Das Medium 5 kann jedoch auch aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise einer Flüssigkeit. Wei­ terhin kann das Medium 5 einen Nebenrückstrahler 15 auf­ weisen, der zur Messung der Ultraschallgeschwindigkeit im Medium 5 dient, die zur Berechnung der Strömungsgeschwin­ digkeit verwendet wird.

Die kombinierten Einheiten 2 und 3 sowie die Einheit 6 sind durch Leiter 8 (Fig. 3) mit einem - nicht dargestellten - Verarbeitungs-Gerät verbunden, das aus den erfaßten Signalen die Durchfluß-Meßweite errechnet und ggf. auch anzeigt.

Zur Durchflußmessung von z. B. Abwässern wird die Rinne 1 mit den Einheiten 2, 3 und dem Funktionsbauteil 4 im Inneren einer Rohrleitung 9 mittels einer Befestigungseinrichtung 10 befestigt, die z. B. zwei dem Innenumfang der Rohrleitung 9 angepaßte Spannring-Segmente (vgl. Fig. 4) aufweisen kann.

Zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit wird ein Ultra­ schallimpuls von der ersten Einheit 2 zur zweiten Einheit 3 auf dem Meßpfad 11 gesendet und im Auswerte-Gerät wird die Impuls-Laufzeit zwischen den beiden Einheiten 2 und 3 be­ stimmt. Danach wird ein Ultraschallimpuls von der zweiten Einheit 3 zur ersten Einheit 2 auf dem Meßpfad 11 gesendet und im Gerät wird die Impuls-Laufzeit zwischen den Einheiten 3 und 2 bestimmt. Mit Hilfe des Auswerte-Geräts wird die mittlere Fließgeschwindigkeit des Abwassers in der Rinne 1 und damit auch in der Rohrleitung 9 durch Differenzbildung der Impuls-Laufzeiten bestimmt.

Zur Bestimmung der Flüssigkeitshöhe wird ein Ultraschall­ impuls von der Sende-/Empfangseinheit 6 auf dem horizontalen Meßpfad 12 (Fig. 2) im Inneren des Mediums 5 zum Reflektor 7 gesendet und von diesem in den vertikalen Meßpfad 13 im Flüssigkeitsmedium bis zur Oberfläche 14 umgelenkt. Der von der Oberfläche 14 reflektierte Ultraschallimpuls kommt über den Reflektor 7 zur Einheit 6 zurück. Mit Hilfe der erhal­ tenen Daten wird die Flüssigkeitshöhe ähnlich wie die Fließ­ geschwindigkeit im Auswerte-Gerät errechnet.

Mit Hilfe nur eines Geräts für Ultraschallbildungsleitung, Durchflußdaten-Errechnung und -Darstellung wird der Strö­ mungsdurchfluß bestimmt und die erhaltenen Ergebnisse werden dargestellt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die strömungsgünstige Anordnung der Einheiten 2, 3, 6 in der Rinne 1 und durch die Verkleinerung ihrer der Strö­ mung ausgesetzten Kontakt- bzw. Funktionsflächen die Zuver­ lässigkeit der durchgeführten Messungen auch nach langen Standzeiten wesentlich erhöht wird, so daß die erfindungs­ gemäß ausgebildeten Meßsysteme auch für Langzeitmessungen von stark verschmutzten Flüssigkeiten, z. B. Abwässern, be­ sonders geeignet sind.

Claims (6)

1. Verfahren zur Durchflußmessung von Flüssigkeiten mit veränderlichem Niveau, bei dem die Strömungsgeschwindig­ keit durch Laufzeitmessung von unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung stromaufwärts und stromab­ wärts ausgestrahlten Ultraschallimpulsen bestimmt wird, und die Strömungshöhe durch Ausstrahlen von Ultraschall­ impulsen von einer Sende-/Empfangseinheit zur Oberfläche der Flüssigkeit und durch Reflexion der Ultraschallim­ pulse zurück zur Sende-/Empfangseinheit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Ultraschallimpulse zur Messung der Strömungshöhe in einem für Ultraschall durchdringbaren Medium (5) erzeugt werden, das in der Strömung angeordnet ist,
• - die Ultraschallimpulse horizontal ausgestrahlt werden und
• - auf eine rückstrahlende Fläche (7) des Mediums (5) treffen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Energie der von der Sende-/Empfangseinrich­ tung (6) ausgestrahlten Ultraschallimpulsen von einem im Medium (5) angeordneten Nebenrückstrahler (15) zurückge­ strahlt wird.

3. Durchflußmesser für Flüssigkeiten mit einem Ultraschall- Wandlungsmodul, das mindestens zwei Ultraschall-Sen­ de-/Empfangseinheiten (2, 3) zum Erfassen der Fließge­ schwindigkeit und mindestens eine Ultraschall-Sen­ de-/Empfangseinheit (6) zum Erfassen der Strömungshöhe aufweist, und mit einem Auswerte-Gerät zur Verarbeitung der erhaltenen Signale und zur Errechnung sowie Darstel­ lung der Meßwerte, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Wandlungsmodul als eine Rinne (1) ausge­ führt ist, an deren gegenüberliegenden Seiten zwei Ul­ traschall-Sende-/Empfangseinheiten (2 und 3) in vorgege­ benem axialem Abstand angeordnet sind, und daß im Unter­ bau der Rinne (1) ein Funktionsbauteil (4) angeordnet ist, das ein für Ultraschall durchdringbares Medium (5) enthält, in dem die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (6) fluiddicht angeordnet ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nebenrückstrahler (15) in dem Medium (5) vorgesehen ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (1) zur Durchflußmessung des Volumenstroms von Flüssigkeiten in Rohrleitungen (9) einen zumindest teil­ weise kreisförmigen Querschnitt aufweist und mit einer Befestigungseinrichtung (10) versehen ist.

6. Durchflußmesser nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) aus einem geeigneten Kunststoffmaterial besteht, dessen physikalische Eigenschaften bezüglich Ultraschall-Leitfähigkeit und -Dämpfung zumindest an­ nähernd denen der strömenden Flüssigkeit entsprechen.