DE19652655A1 - Meßwertgeber für Ultraschalldurchflußmesser - Google Patents
Meßwertgeber für UltraschalldurchflußmesserInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertgeber für einen Ultraschalldurch
flußmesser mit einem Gehäuse, mit einem von der zu messenden Flüssigkeit
durchströmten, zwei Verteilkammern mit seitlichem Zu- bzw. Ablauf verbindenden
Meßrohr, wobei in den Verteilkammern Meßwandler im wesentlichen senkrecht
zur Achse des Meßrohrs angeordnet sind.
Das Prinzip derartiger Ultraschalldurchflußmesser ist stets die Ausnutzung der
Laufzeitunterschiede von Ultraschallwellen, die sich zum einen mit der Strömung
und zum andern gegen die Strömung ausbreiten. Die verschiedenen Ultraschall
durchflußmesser unterscheiden sich abgesehen von dem mechanisch unter
schiedlichen Aufbau der Meßwertgeber darüber hinaus durch die besondere Art
und Weise der Auswertung und Verarbeitung der sich durch die Laufzeitunter
schiede ergebenden Signale.
Bei dieser Messung der Laufzeitunterschiede ist es notwendig, daß die zu mes
sende Flüssigkeit, deren Durchflußvolumen über die Ultraschalldifferenzsignale
bestimmt werden soll, durch eine Meßstrecke strömt, so daß die Strömungsrich
tung im wesentlichen gleichgerichtet zur Schallausbreitungsrichtung steht. Bei der
angesprochenen seitlichen Zu- und Abführung der Flüssigkeit zu und von den
Verteilkammern ergibt sich dabei das Problem, diese Zu- und Abfuhr so auszu
gestalten, daß keine unnötig hohen Strömungsverluste entstehen. Darüber hinaus
ist es notwendig, das Schallsignal mit hohem Wirkungsgrad und möglichst ohne
Überlagerung von Körperschallsignalen in die Meßstrecke einzukoppeln, was bei
den bisherigen Lösungen meist zu großen Abmessungen im Schalleinkoppelraum
und aufwendigen, nicht kostengünstig zu fertigenden Konstruktionen geführt hat.
Durch die im Bereich der Verteilkammern meist stark von der Parallelausrichtung
zur Schallausbreitungsrichtung abweichenden Strömungsrichtung ergeben sich
nur kurze effektive Meßraumlängen, die im wesentlichen auf die Länge des ei
gentlichen Meßrohrs beschränkt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertgeber für einen
Ultraschalldurchflußmesser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß
neben geringen Strömungsverlusten eine hohe effektive Meßstrecke bei einer
vorgegebenen Gesamtlänge des Meßwertgebers zur Verfügung steh.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß vor den Enden
des Meßrohrs in den Verteilkammern vorzugsweise aus Kunststoff bestehende
einer gezielten Strömungsumlenkung zum Erhalt einer zur Meßrohrachse paralle
len Flüssigkeitsströmung zwischen den Meßwandlern dienende, Strömungsfüh
rungseinsätze angeordnet sind, wobei diese Strömungsführungseinsätze bevor
zugt so ausgebildet sein sollen, daß sich in ihnen Strömungswirbel ausbilden, de
ren achsseitige Flanken in Strömungsrichtung der Meß-Flüssigkeit drehen.
Durch die erfindungsgemäßen Strömungsführungseinsätze wird vermieden, daß
im Bereich der Verteilkammern Strömungsverhältnisse vorliegen, bei denen die
Strömungsrichtung im wesentlichen auch quer zur Verbindungsachse der Wand
ler, die mit der Achse des Meßrohrs zusammenfällt, gerichtet ist, wodurch in die
sem Bereich dann nennenswerte Effekte hinsichtlich der Laufzeitunterschiede von
mit und gegen die Strömungsachse gerichteten Ultraschallwellen gar nicht erziel
bar sind. Durch die erfindungsgemäßen Strömungsführungseinsätze setzt die zur
Ultraschallwellenrichtung parallele Strömung bereits nahe der Wandleroberfläche
ein und reicht auch bis in die Nähe der anderen Wandleroberfläche, wodurch ein
Großteil der axialen Längen der Verteilkammern ebenfalls als wirksame Meß
strecke zur Verfügung steht.
Diese besondere Strömungsführung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung sehr
einfach dadurch erreichen, daß jeder Strömungsführungseinsatz wenigstens ei
nen vom Rohrende und vom Meßwandler beabstandeten Keilring mit außenlie
gender Kante aufweist, dessen Innendurchmesser gleich oder vorzugsweise grö
ßer als der Innendurchmesser des Meßrohrs ist, und der durch in achsparallelen
Ebenen verlaufende Stege gehaltert ist.
Das seitlich einströmende Wasser verteilt sich zunächst in der Verteilkammer und
strömt dann den Keilring oder ggf. auch mehrere beabstandete solcher Keilringe
von außen an, wobei durch die zum jeweiligen Meßwandler hin gerichtete äußere
Schrägfläche eine gezielte Strömungsführung zum Meßwandler hin erfolgt. Dies
führt zu Strömungswirbeln an der meßwandlerseitigen Kante des Keilrings mit ei
ner Orientierung derart, daß die achsseitigen Flanken dieser Wirbel in Strö
mungsrichtung der Meß-Flüssigkeit drehen und somit im zentralen Meßbereich
des Meßrohrs und der anschließenden Verteilkammer achsparallele Strömungs
verhältnisse gegeben sind. Die in achsparallelen Ebenen verlaufenden relativ
dünnen Stege, von denen auch nur sehr wenige, vorzugsweise drei, vorgesehen
sind, behindern den Flüssigkeitseinlauf und die gezielte Flüssigkeitsführung prak
tisch überhaupt nicht.
In Weiterbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß jeder Stromfüh
rungseinsatz eine Aufsteckhülse zum Aufstecken auf das Meßrohr sowie vor
zugsweise auch einen Abstützring am freien, vorzugsweise trichterförmig erweiter
ten gegenüberliegenden Ende aufweist, der im Gehäuse abgedichtet den Meß
wandler umgibt. Trotz der relativ filigranen und damit strömungsgünstigen Ausbil
dung der Strömungsführungseinsätze ergibt diese zweiseitige Abstützung eine
ausreichende Stabilität und Schwingungsarmut und daraus resultierend eine
günstige reproduzierbare Strömungsführung.
Die Aufsteckhülse kann dabei gleichzeitig zur klemmenden Halterung des Meß
rohrs im Gehäuse dienen. In Verbindung mit einer Ausbildung, bei der die Stege
innen als an den Stirnkanten des Meßrohrs anliegende Aufsteckbegrenzungen
über die Innenfläche der Aufsteckhülse überstehen, ergibt sich damit eine exakte
Positionierung des Meßrohrs im Gehäuse genau mittig zwischen den beiden ein
ander gegen überstehenden Meßwandlern.
Eine weitere Verbesserung der Einströmung der Flüssigkeit von der seitlichen
Zuleitung in die Parallelausrichtung zur Schallausbreitungsrichtung ergibt sich in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß die Aufsteckhülse eine glatt in
die vorzugsweise gerundete Stirnkante des Meßrohrs übergehende strömungsfüh
rende Schrägabkantung aufweist.
Die Strömungsführungseinsätze bestehen bevorzugt aus ultraschallweichem, d. h.
die Ultraschallwellen nicht oder nur wenig absorbierendem Material, so daß auf
diese Art und Weise keine Schalleistungsverluste auftreten können. Um Störun
gen von am Gehäuse reflektierten und beispielsweise zwischen Meßrohr und Ge
häuse passierenden Ultraschallwellen, bei denen sich ja ebenfalls durch die un
terschiedlichen Wege Laufzeitunterschiede ergeben, zu vermeiden, kann dabei in
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Auswerteelektronik eines
Ultraschalldurchflußmessers mit einem erfindungsgemäßen Meßwertgeber derart
ausgebildet ist, daß die Laufzeitmessungen der sich in und gegen die Strömungs
richtung ausbreitenden Ultraschallwellen zur Ausblendung solcher Reflexionswel
len in vorgegebenen Zeitfenstern erfolgt.
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 einen erfindungsgemäßen Meßwertgeber
für einen Ultraschalldurchflußmesser,
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen der Strömungsführungsein
sätze,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Strömungsführungseinsatzes, und
Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Verteilkammer zum Einleiten
der Flüssigkeit in den Meßwertgeber, wobei der Strömungsverlauf
mit angedeutet ist.
Im Gehäuse 1 des in den Zeichnungen dargestellten Meßwertgebers ist ein Meß
rohr 2 mit im wesentlichen gerundeten Stirnenden 3 gehaltert, wobei die gerunde
ten Stirnenden 3 in Verteilkammern 4 und 5 enden, die mit einem seitlichen Flüs
sigkeitszulauf 6 und einem seitlichen Flüssigkeitsablauf 7 versehen sind. Zwi
schen den Stirnenden 3 des Meßrohrs 2 und den jeweiligen Meßwandlern 8 und 9,
die senkrecht im wesentlichen koaxial zur Meßrohrachse 10 an den Enden der
Verteilkammern 4 und 5 angeordnet sind, sind erfindungsgemäß Strömungsfüh
rungseinsätze 11 angeordnet, die jeweils mit Aufsteckhülsen 12 zum Aufstecken
auf die Enden des Meßrohrs 2 versehen sind. Die Strömungsführungseinsätze 11
enthalten im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen Keilring 13 mit au
ßenliegender Kante 14, dessen Innendurchmesser größer ist als der Innendurch
messer der Aufsteckhülse 12. Der Keilring ist dabei so ausgerichtet, daß seine
Schrägfläche 14, die im wesentlichen radial von außen von der Flüssigkeit in der
Verteilkammer angeströmt wird, schräg zum jeweiligen Meßwandler 8, 9 gerichtet
ist. Durch diese Keilringe 13 der Strömungsführungseinsätze bilden sich Wirbel 15
aus, deren achsseitige Flanken 17 in Strömungsrichtung der Meßflüssigkeit dre
hen, so daß eine im wesentlichen zur Schallausbreitungsrichtung zwischen den
Ultraschallwandlern 8 und 9 parallele Flüssigkeitsströmung gebildet wird, die in
dem für die Messung besonders wesentlichen Zentrum, also im Bereich der Mitte
lachse, nahezu von einem der Meßwandler bis zum anderen reicht. Dadurch er
gibt sich eine sehr große effektive Meßstrecke.
Die Halterung der Keilringe - anstelle des einen gezeigten Keilrings 13 könnten
ggf. auch weitere davon beabstandete Keilringe vorgesehen sein - erfolgt über
wenige im wesentlichen in achsparallelen Ebenen verlaufende Stege 19, die am
freien Ende über einen Abstützring 20 miteinander verbunden sind, der sich, den
jeweiligen Meßwandler umgebend, im Gehäuse 1 über eine Dichtung 26 abstützt.
Die Aufsteckhülse 12 bildet einerseits eine Klemmverbindung zum umgebenden
Gehäuse 1, wobei jeweils ein Ringbund 21 einen Aufsteckanschlag für einen Ge
genbund 22 des Gehäuses 1 bildet. Die Stege 19 stehen innen über die Innenflä
che 23 der Aufsteckhülse 12 als Aufsteckbegrenzungsnasen 24 über. Durch diese
besondere Ausbildung der Strömungsführungseinsätze ergibt sich eine Konstruk
tion, bei der das Meßrohr 2 frei im Gehäuse 1 gehaltert ist. Die abgerundeten
Stirnkanten 3 dienen einer Minimierung des Strömungswiderstandes und einer
Verhinderung von Schallreflexionen, wobei das Meßrohr bevorzugt aus glasfaser
verstärktem Kunststoff (PES) bestehen soll, der eine hohe Körperschalldämpfung
für Ultraschallwellen aufweist und damit Randlaufeffekte des Ultraschallsignals
verhindern kann. Die Aufsteckhülse 12 der Strömungsführungseinsätze 11 ist mit
einer Abschrägung 25 versehen, die bevorzugt so ausgebildet ist, daß sie glatt in
die gerundete Stirnkante 3 des Meßrohrs 2 übergeht. Diese schräggestellte Stirn
kante 25 dient in gleicher Weise wie die schräggestellte Fläche 14 des Keilrings
13 zur Strömungsführung unter Ausbildung von Strömungswalzen, wie es weiter
oben im einzelnen beschrieben worden ist.
Claims (11)
1. Meßwertgeber für einen Ultraschalldurchflußmesser mit einem Gehäuse,
mit einem von der zu messenden Flüssigkeit durchströmten, zwei Verteil
kammern mit seitlichem Zu- bzw. Ablauf verbindenden Meßrohr, wobei in
den Verteilkammern Meßwandler im wesentlichen senkrecht zur Achse des
Meßrohrs angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Stirnen
den (3) des Meßrohrs (2) in den Verteilkammern (4, 5) vorzugsweise aus
Kunststoff bestehende, einer gezielten Strömungsumlenkung zum Erhalt
einer zur Meßrohrachse parallelen Flüssigkeitsströmung zwischen den
Meßwandlern (8, 9) dienende, Strömungsführungseinsätze (11) angeordnet
sind.
2. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strö
mungsführungseinsätze (11) so ausgebildet sind, daß sich in ihnen Strö
mungswirbel (15) ausbilden, deren achsseitige Flanken (17) in Strömungs
richtung der Meß-Flüssigkeit drehen.
3. Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je
der Strömungsführungseinsatz (11) wenigstens einen vom Rohrende und
vom Meßwandler beabstandeten Keilring (13) mit außenliegender Kante
(14) und mit einem Innendurchmesser, der gleich oder größer ist als der In
nendurchmesser des Meßrohrs, aufweist, der durch in achsparallelen Ebe
nen verlaufende Stege (19) gehalten ist.
4. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß jeder Strömungsführungseinsatz (11) eine Aufsteckhülse (12) zum
Aufstecken auf das Meßrohr (2) aufweist.
5. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
einen Abstützring (20) am freien, vorzugsweise trichterförmig erweiterten
Ende des Strömungsführungseinsatzes (11), der im Gehäuse (1) abgedich
tet den Meßwandler (8, 9) umgibt.
6. Meßwertgeber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufsteckhülse (12) das Meßrohr (2) klemmend im Gehäuse (1) haltert.
7. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Stege (19) innen als an den Stirnkanten (3) des Meßrohrs (2)
anliegende Aufsteckbegrenzungen über die Innenfläche (23) der Aufsteck
hülse (12) überstehen.
8. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Aufsteckhülse (12) eine vorzugsweise glatt in die gerundete
Stirnkante (3) des Meßrohrs (2) übergehende strömungsleitende
Schrägabkantung (25) aufweist.
9. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Strömungsführungseinsätze (11) aus ultraschallweichem Ma
terial bestehen.
10. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß das Meßrohr (2) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (PES)
mit hoher Körperschalldämpfung für die Ultraschallwellen besteht.
11. Ultraschalldurchflußmesser mit einem Meßwertgeber nach einem der An
sprüche 1 bis 9, sowie mit einer Auswerteelektronik, die die Laufzeitdiffe
renzen von in und gegen die Flüssigkeitsströmung laufenden Ultraschall
wellen mißt und auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitmes
sung der sich in und gegen die Strömungsrichtung ausbreitenden Ultra
schallwellen zur Ausblendung von Reflexionen in vorgegebenen Zeitfen
stern erfolgt.
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