DE19722140A1

DE19722140A1 - Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE19722140A1
Application number: DE19722140A
Authority: DE
Inventors: Hak Soo Chang
Original assignee: CHANGMIN CO
Current assignee: CHANGMIN CO
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: KR0170815B1; JPH10104039A; DE19722140C2; KR970075850A; JP2935833B2; RU2138782C1; US6089104A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall- Durchflußratenmeßtechnologie, insbesondere eine Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußratenmeßvorrichtung zum Messen der Durchflußrate an Stellen, an denen eine Fließgeschwindigkeitsverteilung eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem Rohr, in einem Rohr mit großem Durchmesser oder in einer Leitung einen anormalen oder komplexen Zustand aufweist.

Herkömmliche Durchflußmeßgeräte, wie z. B. ein Ultraschall-Durchflußmeßgerät zum Festklemmen, ein Durchflußratenmeßgerät vom elektromagnetischen Typ, ein Differentialdruck-Durchflußratenmeßgerät (mit einer Öffnung, einer Düse usw.) usw. sollten im allgemeinen an einem geraden Teil eines Rohres oder einer Leitung mit einer langen geradlinigen Strecke montiert werden, damit diese in einem normalen Zustand betrieben werden können, weil die Durchflußratenkoeffizienten, die mittels eines Normal-Durchflußratenmeßgerätes gemessen/korrigiert werden, nicht für alle bzw. beliebige Zustände der Leitung einheitlich angepaßt werden können. Mit anderen Worten, die Fehler der Durchflußratenmessung werden aufgrund der Instabilität der Durchflußratenkoeffizienten größer, falls der geradlinige Teil, an dem das Durchflußratenmeßgerät montiert ist, einschließlich des aufwärts und abwärts gelegenen Teils des Rohres relativ kurz ist, oder falls das Durchflußratenmeßgerät angrenzend an ein Ventil installiert oder auch wenn das Rohr um z. B. 90° gebogen ist. Falls ebenso der Bereich der zu messenden Durchflußrate größer ist, gab es bislang keine Normal-Durchflußratenmeßvorrichtung (d. h. Vorrichtung zum Messen der Durchflußrate unter Normal- bzw. Standardbedingungen), die an Rohre mit größerem Durchmesser anpaßbar ist, um Durchflußraten einer Flüssigkeit zu proben/korrigieren, besonders bei einem Gas. Das bedeutet, daß es besonders schwierig ist, den Durchflußkoeffizienten durch das Probe-/ Korrekturverfahren zu messen, bei dem der gesamte Bereich der höheren, zu messenden Durchflußrate abgedeckt wird. Nur mittels des Ähnlichkeitskriteriumsverfahrens kann der Durchflußratenkoeffizient des Rohres mit größerem Durchmesser ermittelt werden. Weiterhin ist es kaum möglich, daß das Rohr mit dem größeren Durchmesser D einen solchen geradlinigen Teil aufweist (geradlinige Rohrlänge L 60D Durchmesser). Hierbei ist bekannt, daß, wenn der gerade Teil kurz ist oder die Verteilung der Fließgeschwindigkeit auf komplexe Weise von Zeit zu Zeit den Zustand ändert, es für ein Normal- Durchflußratenmeßgerät schwierig ist, aufgrund der größeren Distanz der zu messenden Durchflußrate im Rohr den zu messenden Zustand zu proben/korrigieren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein Mehrkanal- Durchflußratenmeßgerät zu verwenden, um die Meßzuverlässigkeit zu verbessern.

Bei einer Vorrichtung eines typischen Ultraschall- Mehrkanal-Durchflußratenmeßgerätes ist es bekannt, den Rohrquerschnitt, durch den Flüssigkeit fließt, in eine Vielzahl von Bogensehnen zu unterteilen, mittels Ultraschall die durchschnittlichen Fließgeschwindigkeiten längs der Bogensehnen zu messen und den Durchschnitt der Gesamtfließgeschwindigkeit über den Rohrquerschnitt zu berechnen. Ebenfalls ist eine Vorrichtung zum Messen des Zustands der Verteilung der Fließgeschwindigkeit bekannt, bei der Teile der Durchflußrate gemessen werden, die ausgewählten Bogensehnen zugeordnet sind, und bei der die Gesamtdurchflußrate anhand des Aufsummierens dieser gemessenen Teildurchflußraten berechnet wird. Als Beispiele des Standes der Technik wurden die britische, ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. GB 139755A, die U.S.-Patente Nr. 5,515,721 und 5,531,124, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 92-47768 und ein Durchflußratenmeßgerät für einen offenen Fluß, das durch die American Ultraflux Company hergestellt wird (Modell Nr. UF-21000), veröffentlicht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird nun das herkömmliche Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußratenmeßgerät beschrieben, welches drei Bogensehnen in einer Bogensehnenanordnung aufweist.

Drei gepaarte Wandler 1₁, 2₁; 1₂, 2₂; bzw. 1₃, 2₃ sind montiert, um die Fließgeschwindigkeit auf den Bogensehnen I, II bzw. III zu messen, wobei die Wandler einen Strahler zum Abstrahlen der Ultraschallwelle und einen Empfänger zum Empfangen der ausgestrahlten Ultraschallwelle aufweisen. Beim Ultraschall-Mehrkanal- Meßgerät wird ein Zeitdifferenzverfahren zum Berechnen der Fließgeschwindigkeit verwendet. Dabei wird die Fließgeschwindigkeit V_I längs der Bogensehne I anhand einer Formel wie folgt berechnet:

Dabei ist C die Ultraschallgeschwindigkeit, wenn die Fließgeschwindigkeit V null ist; L₁ ist eine Bogensehnenlänge; d ist gleich Lcosϕ; t₂₁ ist die Zeit, in der die Ultraschallwelle im wesentlichen vom Wandler 1₁ bis zum gegenüberliegenden Wandler 2₁ fortgeschritten ist und t₁₂ ist die Zeit, in der die Ultraschallwelle im wesentlichen vom Wandler 2₁ zum gegenüberliegenden Wandler 1₁ fortgeschritten ist. Jeweils ein Kanal des Mehrkanal-Meßgerätes zum Messen der Fließgeschwindigkeit wird in einem festgelegten Zeitintervall der Reihe nach betrieben. Natürlich können alle Kanäle gleichzeitig betrieben werden, aber es muß sichergestellt werden, daß nebeneinanderliegende Kanäle keinen Einfluß aufeinander haben, ansonsten müßten die Frequenzen der Kanäle sehr unterschiedlich sein, weil die Wandler kaum unter einem gerichteten Winkel ausstrahlen (die sogenannte Richtwirkungseigenschaft einer Strahlform). Bei einem dynamischen Durchflußratenmeßgerät wäre es möglich, die Meßzeit der momentanen Durchflußrate zu verkürzen, indem alle Kanäle gleichzeitig betrieben werden, aber daraus folgen dadurch viele Probleme, daß das Verhältnis l/λ aus der Größe l des Wandlers und der Wellenlänge l des Ultraschalls sicherheitshalber vergrößert werden müßte, um die Richtwirkungseigenschaft des Wandlers zu verbessern, damit dieser strahlähnlich ist, aber wegen des Rohrdurchmessers und der Anzahl von Kanälen ist es nicht möglich, die Größe l auf den zusätzlich größeren Wert zu erhöhen. Andererseits wird die Wellenlänge kürzer, wenn die Frequenz höher wird. Dies verursacht eine erhebliche Verkürzung der Ultraschallwelle. Falls Schwebematerial in der Flüssigkeit vorhanden ist, tritt eine starke Streuung des Ultraschalls durch Reflexion auf. Ebenso ist in Gas die Wellenlänge größer als in einer Flüssigkeit, so daß es nicht möglich ist, die Ultraschallwelle strahlförmig (gerichtet) auszubilden.

Falls für jeden Kanal eine andere Frequenz gewählt wird, wird die elektronische Schaltung komplizierter und die Verzögerungszeiten für jeden Kanal sind verschieden voneinander. Es ist sehr aufwendig, diese Verzögerungszeiten zu kompensieren und der Meßfehler der Ausbreitungszeit der Ultraschallwelle wird größer (unter der Bedingung, daß verschiedene Filter verwendet werden) Unter der Bedingung, daß die Form der Fließgeschwindigkeitsverteilung relativ stabil ist, wurde ein Verfahren zum abwechselnden Betreiben der Kanäle verwendet.

Aber die herkömmlichen Ultraschall- Durchflußratenmeßgeräte weisen die folgenden Nachteile auf:
Als erstes muß die Anzahl der Kanäle erhöht werden, um die Genauigkeit der Durchflußratenmessung sicherzustellen, falls sich die Verteilung der Fließgeschwindigkeit auf eine komplizierte Weise ändert, wenn der geradlinige Teil des Rohres kurz ist, besonders in der Nähe eines Ventils. Falls die Anzahl der Kanäle erhöht wird, muß der Durchmesser des Wandlers kleiner werden. In diesem Fall muß eine Ultraschallwelle mit höherer Energie abgestrahlt werden, um eine ausreichende Empfangsintensität sicherzustellen. Die Erhöhung der Intensität erhöht wiederum den Nachhall und den Rauschpegel.

Zweitens steigt, falls die Kanäle der Reihe nach betrieben werden, die zur Durchflußratenmessung erforderliche Zeit, wenn die Anzahl der Kanäle erhöht wird. Nimmt man an, daß die Fließgeschwindigkeit fluktuiert, so daß die Durchflußratenmessung wiederholt durchgeführt werden muß, dann verlängert sich die Durchflußratenmeßzeit mehr und mehr. Falls speziell eine Gasdurchflußrate gemessen wird, verlängert sich aufgrund der langsameren Ultraschallgeschwindigkeit die Durchflußratenmessungszeit noch weiter gegenüber der bei einer Flüssigkeit.

Drittens, um das Ausstrahlen/Empfangen der Ultraschallwelle in einem Gas stoßfrei auszuführen, muß aufgrund der relativ niedrigen Frequenz ein Wandler einen großen Durchmesser aufweisen, um die erforderliche Richtwirkungseigenschaft sicherzustellen. Daraus folgt, daß die Größe des Wandlers in Abhängigkeit vom Durchmesser und der Anzahl der Kanäle beschränkt ist. Daher ist es schwierig, die Richtwirkungseigenschaft sicherzustellen. Auch wenn für jeden Kanal eine andere Frequenz eingestellt wird, müssen die Zeitverzögerungsdifferenz, der Zeitfehler der Ausbreitung, das Echophänomen bzw. Widerhallphänomen, usw. wie oben beschrieben gelöst werden.

Viertens ist das Änderungsverhältnis der Durchflußrate (das Verhältnis der maximalen Durchflußrate Q_max zur minimalen Durchflußrate Q_min) sehr viel größer, z. B. größer 50 : 1. Dadurch sind die vorgegebenen Fehlertoleranzen über den gesamten Meßbereich zueinander verschoben. Bei der herkömmlichen Anordnung des Durchflußratenmeßkanals kann die Fließgeschwindigkeit mittels eines Zeitdifferenzverfahrens (oder eines Frequenzdifferenzverfahrens) gemessen werden. Aber selbst wenn das Rohr einen kleineren Durchmesser als 600 mm hat, ist die Zeitdifferenz Δt (=t₂₁ - t₁₂) in der Formel (1) sehr klein.

Wenn z. B. die Durchflußrate von Wasser gemessen wird und angenommen wird, daß 2d gleich 0,6 m ist, sowie bei einem Rohr mit dem Innendurchmesser von 600 mm die minimale Fließgeschwindigheit V längs irgendeiner Bogensehne 0,5 m/sec beträgt, so beträgt die Zeitdifferenz:

Falls die Zeitdifferenz mit einem Fehler von 1% gemessen wird, muß die Fehlertoleranz von Δt gleich 1,4×10^-9 s betragen und die Fehlertoleranz der Messung der Ultraschallausbreitung zwischen den Wandlern muß 0,7× 10^-9 s betragen. Die gesamte durchschnittliche Fließgeschwindigkeit übersteigt normalerweise 10 m/s nicht. Folglich entspricht V_min von 0,5 m/s einem Änderungsverhältnis der Durchflußrate von 20 : 1. Dies bedeutet, daß mit der Zeitintervallmessungstechnologie eine Fehlertoleranz von 0,5×10^-9 s erfaßt werden kann, aber die Zeitintervallmeßvorrichtung ist sehr kompliziert und teuer und ihre Betriebsbedingungen sind sehr kritisch. Ein Gas hat eine größere Fehlertoleranz als Flüssigkeit, weil seine Ultraschallgeschwindigkeit viermal kleiner ist als die einer Flüssigkeit.

Falls statt dem Zeitdifferenzverfahren das Phasendifferenzverfahren verwendet wird, ist die Phasendifferenz Δϕ wie folgt:

Hierbei ist ω gleich 2πf, wobei f die Frequenz der Ultraschallwelle ist. Falls die Ultraschallfrequenz gleich 1 MHz ist, beträgt die Phasendifferenz:

Δϕ ≈ 1,4 Rad ≈ 80,2°.

Es soll hier angemerkt werden, daß es vorteilhaft ist, die Phasendifferenz unter Verwendung eines Phasendetektors mit einem Fehler von 1% zu messen. Gegenüber dem Zeitdifferenzverfahren ist das Phasendifferenzverfahren einfacher und günstiger.

Aber die Phasendifferenzformel für die Fließgeschwindigkeitsmessung kann bei der Anordnung des herkömmlichen Mehrkanal-Fließgeschwindigkeitsmessens nicht angewendet werden. Dies liegt daran, daß die gepaarten Ultraschallwandler 1₁ und 2₁ die kontinuierlich ausgestrahlte Ultraschallwelle nicht gleichzeitig bei der gleichen Frequenz empfangen oder abstrahlen können. Falls das Phasendifferenzverfahren verwendet werden soll, wird ein weiterer Kanal hinzugefügt, um die Ultraschallwelle in entgegengesetzte Richtung zur Strömungsgeschwindigkeitsrichtung abzustrahlen/zu empfangen. Das heißt, die Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwellen sind zueinander gekreuzt. Damit werden vier Ultraschallwandler erforderlich, um einen Fließgeschwindigkeitsmeßkanal aufzubauen und dadurch wird das Durchflußratenmeßgerät komplex.

Fünftens müssen die Ultraschallwandler, wie in Fig. 6 dargestellt, unter verschiedenen Winkeln montiert werden. Dies bedeutet, daß die Montagearbeit schwierig ist, der Wandler sich an vielen Stellen in die Flüssigkeit erstreckt, die nachlässige Montagearbeit Fehler verursacht oder sich um den Wandler herum eine Nut ausbildet, wodurch die Fließgeschwindigkeitsverteilung ungünstig beeinflußt wird.

Somit ist bekannt, daß das herkömmliche Ultraschall- Mehrkanal-Durchflußratenmeßgerät zum Messen der Fließgeschwindigkeit längs einer Anzahl von Bogensehnen und zum Berechnen der Fließgeschwindigkeit vielfältige Nachteile und Probleme aufweist, wenn die Anzahl der Fließgeschwindigkeitsmeßkanäle erhöht wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschall- Mehrkanal-Durchflußratenmeßvorrichtung zum Messen der Durchflußraten bzw. Fließgeschwindigkeiten an Stellen vorzusehen, an denen die Fließgeschwindigkeitsverteilung von Gas oder einer Flüssigkeit in einem Rohr, einem Rohr mit großem Durchmesser oder einer Leitung anormal oder komplex ist.

Ferner soll eine Ultraschall-Mehrkanal- Durchflußratenmeßvorrichtung vorgesehen werden, bei der die Begrenzung der Anzahl der Kanäle aufgrund der Größe eines Ultraschallwandlers aufgehoben und die Anzahl der zu messenden Kanäle erhöht wird, um die Genauigkeit der Durchflußratenmessung bei einem Zustand einer anormalen oder komplexen Fließgeschwindigkeitsverteilung sicherzustellen.

Ferner soll die Zeit zum Messen der Durchflußraten durch gleichzeitiges Betreiben aller Kanäle verringert werden.

Ebenso soll die Fließgeschwindigkeit mittels eines Zeitdifferenzverfahrens, eines Phasendifferenzverfahrens oder eines Zeitdifferenzverfahrens in Abhängigkeit des Innendurchmessers eines Rohres und des Bereichs der zu messenden Durchflußrate ermöglicht werden.

Schließlich soll bei der Vorrichtung die elektronische Schaltung zum Messen der Fließgeschwindigkeit vereinfacht und die Montage der Wandler an einem Rohr erleichtert werden.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung weist eine Ultraschall-Mehrkanal- Durchflußratenmeßvorrichtung einen Ultraschall-Ausstrahl- Wandler, der an einer Position eines Rohres montiert ist, eine Anzahl von Ultraschall-Empfangs-Wandlern, die um einen kreisförmigen Umfang des Rohres montiert sind, wobei ein Umfang mit Wandlern rohraufwärts in einem Abstand d vom Ultraschall-Ausstrahl-Wandler und ein Umfang mit Wandlern rohrabwärts in dem Abstand d vom Ultraschall-Ausstrahl-Wandler liegt, und eine Anzahl von Kanälen, die den Querschnitt des Rohres in mehrere Bogensehnen unterteilen, auf, um die Fließgeschwindigkeiten längs der Bogensehnen zu messen und um die Durchflußrate unter Verwendung eines Näherungsintegrationsverfahrens zu berechnen, wodurch es ermöglicht wird, die Durchflußrate in einem Rohr mit größerem Durchmesser unter einem Zustand einer komplexen Fließgeschwindigkeitsverteilung zu messen. Die komplexe Fließgeschwindigkeitsverteilung tritt dadurch auf, daß die Rohrlänge kurz ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Anzahl der Meßkanäle zum Messen der Fließgeschwindigkeit erhöht werden, die Beschränkung aufgrund der Größe der Ultraschallwandler aufgehoben werden und es können alle Kanäle gleichzeitig betrieben werden, wodurch eine kurze Meßdauer für die momentane Fließgeschwindigkeit erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(A), (B) und (C) die Anordnung von Mehrkanal- Meßeinrichtungen zum Messen der Fließgeschwindigkeit mittels Ultraschall gemäß der Erfindung;

Fig. 2(A) und (B) Ansichten, die die Wirkung einer Ultraschall-Ausricht-Einstelleinrichtung erläutern;

Fig. 3 eine Schaltung zum Messen einer Fließgeschwindigkeit und einer Durchflußrate unter Verwendung eines Zeitdifferenzverfahrens;

Fig. 4 eine Schaltung zum Messen einer Fließgeschwindigkeit und einer Durchflußrate unter Verwendung eines Phasendifferenzverfahrens;

Fig. 5(A), (B) und (C) Darstellungen, die ein Verfahren zum Berechnen einer Durchflußrate erläutern, nachdem die strahlförmig ausgerichteten Bogensehnen neu ausgerichtet wurden; und

Fig. 6(A), (B) und (C) Darstellungen, die die Anordnung eines Mehrkanalmeßgerätes zum Messen der Fließgeschwindigkeit mittels Ultraschall gemäß dem Stand der Technik erläutern.

Fig. 1 zeigt die Anordnung einer Mehrkanal-Meßeinrichtung zum Messen der Fließgeschwindigkeit. Ein Wandler 3, der unten als Ultraschallschwinger bezeichnet wird, strahlt Ultraschallwellen, die sich in strahlförmige Richtung in das Rohr hinein ausbreiten, unter einem Öffnungswinkel von 180° ab. Eine Anzahl von Ultraschall-Empfangs- Wandlern 4₁, 4₂, 4₃, . . . 4 _n, 5₁, 5₂, 5₃, . . . 5 _n und 6, die unten als Empfänger bezeichnet werden, empfangen die sich vom Schwinger 3 ausbreitenden Signale. Da der Schwinger 3 nicht wie bei der herkömmlichen Technologie einen gerichteten Ultraschallstrahl abstrahlt, kann dessen Sendefläche kleiner sein als die Wellenlänge des Ultraschalls. Daher ist der Schwinger 3 relativ klein. Die Ultraschallempfänger 4 _i und 5 _i können nur empfangen, aber nicht ebenso abstrahlen, wie dies bei der herkömmlichen Technologie üblich ist. Längs des kreisförmigen Umfangs des Rohres sind die Empfänger 4 _i bzw. 5 _i zur linken bzw. zur rechten Seite in einem Abstand d vom Schwinger angeordnet. Die Empfänger 4₁ und 5₁, 4₂ und 5₂, . . . 4 _n und 5 _n sind jeweils miteinander gepaart, um jeweils einen Fließgeschwindigkeitsmeßkanal zu bilden und sind bezüglich des Schwingers 3 symmetrisch zueinander angeordnet. Die Strecken L_i zwischen dem Schwinger 3 und den Empfängern 4 _i sind die gleichen wie die zwischen dem Schwinger 3 und den Empfängern 5 _i. Daher wird der Querschnitt des Flüssigkeitsstromes in eine Anzahl von strahlförmig auseinanderlaufenden Bogensehnen unterteilt. Die Bogensehnen sind bezüglich des Schwingers 3 unter den Winkeln -α₁, -α₂, . . . , +α₁, +α₂, . . . angeordnet. Die Winkel ±α_i sind so ausgewählt, daß zur Bestimmung der Durchflußrate die Fließgeschwindigkeitsverteilung an den beabsichtigten Stellen gemessen wird. Das heißt, die Winkel +-α_i, -α_i müssen nicht symmetrisch zueinander sein.

Falls die gesamte Fließgeschwindigkeitsrichtung mit der axialen Richtung des Rohres übereinstimmt, ist die Fließgeschwindigkeit v_i längs der Strecke L_i zwischen dem Schwinger 3 und den Empfängern 4 _i oder 5 _i die folgende:

v_i = _i · cosϕ_i

Hierbei ist _i die mittlere axiale Fließgeschwindigkeit in Rohrrichtung, ϕ_i der Winkel zwischen der Richtung der Strecke L_i und der axialen Fließgeschwindigkeitsrichtung V_i.

Die Fließgeschwindigkeitsmeßkanäle werden wie folgt betrieben:

Zeitdifferenzverfahren

Zuerst wird ein Zeitdifferenzverfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit erläutert: der Schwinger 3 strahlt die Ultraschallwellen strahlförmig ab. Die gepaarten Empfänger 4 _i und 5 _i empfangen die Ultraschallwellen zu unterschiedlichen Zeiten, abhängig von der Ausbreitungsstrecke L_i und der Fließgeschwindigkeit, und erzeugen dann Ausgangssignale. Zum Beispiel sind die Ultraschallausbreitungszeiten längs der Strecke L_i zwischen dem Schwinger 3 und dem Empfänger 4 _i oder 5 _i (unter der Bedingung, daß die Zeitverzögerung kompensiert wird) wie folgt:

Dann empfängt eine Zeitdifferenzmeßvorrichtung die Signale vom Empfänger 4 _i oder 5 _i und wandelt sie in Pulssignale um. Die Zeitdifferenz wird wie folgt berechnet:

Die Fließgeschwindigkeit _i unter einem Winkel zur Bogensehne i ist wie folgt:

In diesem Fall ist es nicht notwendig die Formel (1) zum Messen der Fließgeschwindigkeit für jeden Kanal unter Verwendung der Ultraschallgeschwindigkeitsmeßformel

anzuwenden, weil die Ultraschallgeschwindigkeit C beim Abstand d im Rohr gleichförmig ist.

Gemäß der Erfindung ist der Empfänger 6 zum Messen des Ultraschalls an dem Punkt angeordnet, der dem Schwinger 3 diagonal gegenüberliegt. Das heißt, im Querschnitt des Rohres gesehen liegen sich der Schwinger 3 und der Empfänger 6 gegenüber und die Rohrmitte, die Mitte des Schwingers 3 und der Empfänger 6 liegen auf einer Linie. Nimmt man an, daß die Strecke zwischen dem Schwinger 3 und dem Empfänger 6 L₀ beträgt, so ist die Ultraschallgeschwindigkeit C die folgende:

Aufgrund eines Montagefehlers, von Schwankungen der Fließgeschwindigkeitsrichtung, usw. könnte natürlich die mittlere Richtung der Fließgeschwindigkeit bezüglich dem Durchmesser (Strecke L₀) keine 90° ausbilden. Falls der Winkel 90° + 10° ist, ist der Fehler von C mit 0,024% vernachlässigbar.

Daher kann bei dem Meßkanal zum Messen der Ultraschallgeschwindigkeit eine einfache elektronische Schaltung eingesetzt werden. Falls im Gegensatz dazu die Formel (1) verwendet wird, müssen die Ultraschallausbreitungszeiten t_4i und t_5i separat gemessen und in einer Fließgeschwindigkeits- und Durchflußraten- Berechnungsvorrichtung gespeichert werden. Weiterhin müßte aus der Zeitmessung der Fließgeschwindigkeit (Zeit zwischen dem Ausstrahlen bis zum Empfangen des Ultraschalls einmal stromaufwärts (t₁₂) und einmal stromabwärts (t₂₁)) auch die Verzögerungszeit T eliminiert werden, damit die Ultraschallgeschwindigkeit aus C² = L²/(t₁₂-t₂₁) exakt berechnet werden kann. Es ist ebenfalls schwierig, die Verzögerungszeiten für alle Kanäle mit der gleichen Genauigkeit zu kontrollieren. Aus diesem Grund weist die Erfindung separate Ultraschallmeßkanäle auf, um die Zeitdifferenz Δt_i des jeweiligen Fließgeschwindigkeitsmeßkanals zu messen. Daher stellt es kein Problem dar, die Verzögerungszeit zu kompensieren, weil die Verzögerungszeiten bei gepaarten Kanälen durcheinander ausgeglichen werden:
Δt_i = (t_4i + τ_i) - (t_5i + τ_i) = t_4i - t_5i

Phasendifferenzverfahren

Zweitens, das Phasendifferenzverfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit basiert auf der Formel (2). Bei einem Phasendifferenzverfahren ist es erforderlich, daß die Ultraschallwellen kontinuierlich während des Betriebs abgestrahlt werden, wobei der Phasendifferenzdetektor die Ausgangssignale der Empfänger 4 _i oder 5 _i empfängt. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann in diesem Fall die Messung der Fließgeschwindigkeit exakt ausgeführt werden, wenn die in einem Abstand angeordneten Empfänger keine an der Rohrwand reflektierten Wellen empfangen. Aber es ist einfach, die Ultraschallwelle vom Schwinger nur in die Zielrichtung der Empfänger laufen zu lassen, indem ein Absorber 7 an der Sendefläche des Schwingers befestigt wird, mit einer Öffnung nur in Zielrichtung (zum Empfänger). Falls ein piezoelektrischer Wandler verwendet wird, kann er in einer zylinderförmigen Form hergestellt werden, oder ein konischer, reflektierender Spiegel kann auf der Vorderseite des Schwingers installiert werden.

Andererseits wird vorzugsweise die Fließgeschwindigkeitsmessung basierend auf dem Zeitdifferenzverfahren durchgeführt, falls die Fließgeschwindigkeit von Gas gemessen wird und/oder der Durchmesser des Rohres größer ist, weil die Zeitdifferenz Δt_i größer als die in Flüssigkeit ist. In diesem Fall ist es eine generelle Technik, das Auftreten von an der Rohrwand reflektierten Wellen im Abstand d zu verhindern.

Falls die Gasdurchflußrate in einem Rohr mit größerem Durchmesser gemessen wird, wird die niedrigere Frequenz verwendet. Das heißt, daß ein elektromagnetischer Wandler (z. B. Spule) als Schwinger verwendet werden kann. Die Empfänger sind relativ klein, weil sie nur die Ultraschallwelle empfangen und nicht die Richtwirkungseigenschaft mit engem Winkel benötigen. Ebenfalls können die Ultraschallwandler 3, 4 _i, 5 _i und 6 in Richtung der Mitte der Rohrwand auf eine zur Kontaktfläche senkrecht stehende Weise installiert werden. Es vereinfacht ihre Montage.

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild einer Schaltung dar, bei der das Zeitdifferenz-Fließgeschwindigkeits- Meßverfahren gemäß der Mehrkanalanordnung der Erfindung implementiert ist. Fig. 4 stellt ein Blockschaltbild einer Schaltung dar, bei der das Phasendifferenz- Fließgeschwindigkeits-Meßverfahren gemäß der Mehrkanalanordnung der Erfindung implementiert ist. Die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 3 und 4 bezeichnen die gleichen Teile.

Verstärker 8 verstärken die empfangenen Signale von den Empfängern 4 _i und 5 _i mit einer festgelegten Verstärkung. Eine signalformende Einrichtung 9 wandelt Analogsignale in Digitalsignale mit rechteckigem Wellenimpuls um, zu der Zeit, zu der der Signalpegel Schwellenwerte überschreitet, z. B. beim Nullpunkt. Ein Zeitintervall- Meßzähler 10 mißt die Zeitdifferenz Δt_i, in der sich die Ultraschallwelle vom Schwinger 3 bis zu den Empfängern 4 _i und 5 _i ausbreitet. Ein Oszillator 11 erzeugt ein Hochfrequenztaktsignal für die Zeitintervallmessung. Ein Mikroprozessor 12 steuert ein Durchflußratenmeßsystem mittels eines Programmes und berechnet die Fließgeschwindigkeit und die Durchflußrate. Ein Ultraschalloszillator 13 treibt den Schwinger 3 an. Eine Eingabeeinrichtung 14 wird verwendet, um die Steuerparameter, wie z. B. eine Konstante L₀²/2d, einen Innendurchmesser D eines Rohres, eine Zeitdauer, während der wiederholt gemessen werden soll, eine Frequenz, usw. in den Mikroprozessor 12 einzugeben. Ein Akkumulator 15 akkumuliert die momentane Durchflußrate. Eine Anzeigeeinrichtung 16 zeigt den Betriebszustand des Systems an.

Wenn folglich die Zeitdifferenz-Durchflußraten- Meßvorrichtung betrieben wird, erzeugt der Mikroprozessor 12 ein Steuersignal und gibt dieses an einem Anschluß a aus und setzt die Zähler 10₀ zurück, um diese zu initialisieren, während er den Ultraschallschwinger 3 antreibt. Wenn der Schwinger 3 Ultraschallwellen ausstrahlt, empfangen der Reihe nach die Empfänger 4 _i und 5 _i die Ultraschallsignale, die sich vom Schwinger 3 ausgebreitet haben. Dann verstärken die Verstärker 8 die Signale von den Empfängern 4 _i und 5 _i und führen diese den pulsformenden Einrichtungen 9 zu. Die pulsformende Einrichtung 9 erzeugt immer dann Pulse, wenn die verstärkten Signale durch die Schwellwerte gehen. Folglich tritt die Zeitdifferenz Δt_i zwischen den Pulsen von den pulsformenden Einrichtungen 9 auf. Die Pulse werden in den Zähler 10 eingegeben, wobei der erste Puls vom Empfänger 5 _i den Start des Zählens darstellt, während der zweite Puls vom Empfänger 4 _i das Stoppsignal darstellt. In der Zeitdauer zwischen dem Startsignal und dem Stoppsignal zählt der Zähler 10 die Anzahl von Pulsen N_i, wobei die Pulse vom Hochfrequenzoszillator 11 erzeugt werden, und auch zwischen dem Stoppsignal und dem Startsignal. Folglich ist die Zeitdifferenz Δt_i gleich N_i · τ₀ (τ₀ ist die Periode des Pulses vom Hochfrequenzoszillator 11). Natürlich ist es nicht notwendig, die Zeitdifferenz Δt_i im Zähler 9 zu messen. Statt dessen kann der Mikroprozessor 12 die Zeitdifferenz berechnen, indem er die Verzögerungszeit τ₀ multipliziert.

Wenn der Schwinger 3 die Ultraschallwellen ausstrahlt, mißt der Mikroprozessor 12 die Zeitdifferenzen (oder N_i) für alle Kanäle und speichert sie in seinem Speicher. Gleichzeitig werden die Ausbreitungszeiten t_i vom Schwinger 3 bis zu dem Empfängern 4 _i und 5 _i gemessen und in den Mikroprozessor 12 eingegeben. Der Mikroprozessor 12 speichert die zuvor in die Eingabeeinrichtung 14 eingegebenen Werte, wie die Konstante L₀²/2d, den Innendurchmesser D des Rohres, die Längen und Koordinaten der Bogensehnen usw., die zum Messen der Fließgeschwindigkeit V_i erforderlich sind, und berechnet die Fließgeschwindigkeiten und Durchflußraten längs verschiedener Bogensehnen.

Falls das Phasendifferenzverfahren zum Messen der Durchflußrate verwendet wird, sind, wie dies Fig. 4 dargestellt ist, werden jeweils digitale Phasendetektoren 17 mit den Verstärkern 8 verbunden. Die pulsformende Einrichtung 9 ist nicht erforderlich. In diesem Fall strahlt der Schwinger Ultraschallwellen nur kontinuierlich während eines festgelegten Zeitintervalls ab. Die zur Berechnung der Ultraschallgeschwindigkeit C erforderliche erste Ultraschallausbreitungszeit t₀ vom Schwinger 3 zum Empfänger 6 wird mittels des Zähler 10₀ und des Hochfrequenzoszillators 11 gemessen.

Wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, werden zur Erleichterung der Berechnung der Durchflußrate die Bogensehnen, die den Rohrquerschnitt unter mehreren Richtungswinkeln α_i unterteilen, durch die Koordinate r_i ersetzt, und die Fließgeschwindigkeiten längs der verschiedenen Bogensehnen werden als die Fließgeschwindigkeitsverteilung in Abhängigkeit der Radiusfunktion des Rohres beschrieben. Folglich wird die Gesamtflußrate Q = ΣV_i·ΔS_i so berechnet, daß die Fließgeschwindigkeit V_i längs jeder Bogensehne mit der Teilfläche ΔS_i multipliziert wird und die multiplizierten Werte aufsummiert werden.

Wie oben beschrieben wurde, ist es umso komplizierter, die Fließgeschwindigkeitsverteilungsformel exakt aufzuschreiben, je höher die Anzahl der Durchflußratenmeßkanäle ist. Daher wird die Durchflußrate mit obiger Näherung exakter berechnet. Die elektronische Schaltung ist einfacher als die des herkömmlichen Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußratenmeßgerätes.

Dagegen ist bei dem Stand der Technik ein Schalter für gepaarte Wandler erforderlich, um die Ultraschallpulse auf einem Kanal in eine Richtung mit einer Komponente in Richtung der Fließgeschwindigkeit oder in die entgegengesetzte Richtung abzustrahlen und/oder zu emittieren und einen Schalter um die Fließgeschwindigkeitsmeßkanäle gegeneinander auszutauschen. Ebenfalls muß die Zeit der Ultraschallwellenausbreitung in die zur Fließgeschwindigkeit entgegengesetzte Richtung zusätzlich gemessen werden. Dies bedeutet, daß der Zähler und der Mikroprozessor höhere Kapazitäten aufweisen müssen. Bei dem herkömmlichen Durchflußratenmeßgerät mit mehreren Kanälen kann das Phasendifferenz-Fließgeschwindigkeits- Meßverfahren nicht eingesetzt werden.

Gemäß der Erfindung kann das Phasendifferenz- Fließgeschwindigkeits-Meßverfahren einfach ausgeführt werden. Es ist geeignet die Durchflußrate kontinuierlich zu messen und um die Schwankungen in der Fließgeschwindigkeit und der Durchflußrate zu mitteln. Um die strahlförmig ausgerichteten Fließgeschwindigkeits- Meßkanäle auszubilden, ist nur ein Schwinger erforderlich. Die Ultraschallwelle ist nicht gerichtet und weist keine höhere Energie auf. Die Empfangswandler sind gegenüber bisherigen Techniken kleiner, weil sie nur die Empfangsfunktion zur Verfügung stellt. Selbst wenn die Anzahl der Fließgeschwindigkeits-Meßkanäle erhöht wird, hat dies keine negative Auswirkung auf den Betrieb des Systems. Die zur Messung einer momentanen Durchflußrate notwendige Zeit ist sehr kurz. Bei einem Rohr mit kurzem, geradlinigem Teil, bei dem es schwierig ist, die anormale und komplizierte Fließgeschwindigkeitsverteilung zu messen, ist die Vorrichtung der Erfindung sehr effektiv beim Messen. Bei der Vorrichtung der Erfindung ist die Empfindlichkeit höher als die nach dem Stand der Technik und bei ihr kann das Phasendifferenz-Fließgeschwindigkeits-Meßverfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit kontinuierlich eingesetzt werden. Die Erfindung kann die Genauigkeit der Durchflußratenmessung an Stellen erhöhen, an denen die Fließgeschwindigkeit geringer oder der Durchmesser des Rohres kleiner ist.

Zum Messen der Durchflußrate eines Gases ist die Vorrichtung sehr effizient, weil die Ultraschallgeschwindigkeit eines Gases um einige Male geringer ist als die bei einer Flüssigkeit. Die Empfindlichkeit der Phasendifferenz und die Empfindlichkeit der Zeitdifferenz wird stark erhöht und es kann eine Ultraschallwelle mit einer niedrigeren Frequenz oder eine Welle mit den höheren hörbaren Frequenzen verwendet werden.

Es ist einfach, den kleineren Schwinger und die Empfänger an der Wand des Rohres zu montieren, weil sie in Richtung der Mitte des Rohres ausgerichtet sind. Der Schwinger und die Empfänger ragen nicht über die innere Wand des Rohres hinaus (ragen nicht in das Rohr hinein) und bilden daher keine Fehlerquellen oder Nuten, so daß die Fließgeschwindigkeitsverteilung nicht beeinflußt wird.

Die Durchflußratenmeßschaltung kann als eine einfache Anordnung realisiert werden und die Steuerung der Empfangssignalpegel vereinfachen. Es ist nicht erforderlich, daß die Verzögerungszeiten längs der Fließgeschwindigkeitsmeßkanäle zueinander gleich sind.

Die Erfindung ist ebenfalls sehr vorteilhaft beim Entwurf und bei der Herstellung des Gasdurchflußratenmeßgerätes oder eines Durchflußmeßgerätes für ein Rohr mit einem großen Durchmesser. Bei der Erfindung kann die Fehlergrenze des Fließgeschwindigkeits-Meßfehlers geprüft werden, indem die Zeitdifferenz Δt_i oder die Phasendifferenz Δϕ_i, der Abstand d, der Meßfehler und der Näherungsintegrationsfehler bei der Prozedur der Durchflußratenberechnung geprüft werden, wodurch es einfach möglich ist, den Durchflußratenmeßfehler zu bestimmen.

Besonders sind bei der Erfindung mehr als 5, 10 oder 15 Kanäle möglich, wodurch der Näherungsintegrationsfehler reduziert wird und wodurch die Durchflußrate mit einer größeren Genauigkeit auf dem kurzen geraden Teil des Rohres bei Vorhandensein einer komplexen Fließgeschwindigkeitsverteilung gemessen werden kann.

Claims

1. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung, die aufweist:
gepaarte Ultraschallwandler (3, 4 _i; 3, 5 _i), die an einer Rohrwand montiert sind, wobei jeweils einem Wandlerpaar zugeordnete Bogensehnen (L_i) den Querschnitt des Rohres unterteilen, um eine Durchschnittsfließgeschwindigkeitskomponente (v_i) entlang der Bogensehnen zu messen,
eine Zeitintervall-Meßeinrichtung (10) zum Messen einer Ultraschallpulsausbreitungszeit zwischen den gepaarten Wandlern (3, 4 _i; 3, 5 _i), und
einen Mikroprozessor (12) zum Steuern des Betriebs der Wandlerpaare, wobei der Mikroprozessor die Fließgeschwindigkeiten längs mehrerer Bogensehnen (L_i) und basierend auf den berechneten Fließgeschwindigkeiten die Durchflußrate berechnet;
wobei:
eine Ultraschall-Abstrahleinrichtung (3) mit einer Ultraschalloszillator-Einrichtung (13) verbunden ist, die vom Mikroprozessor (12) gesteuert wird, und die Abstrahleinrichtung (3) an einer Stelle des Rohres montiert ist, um die Ultraschallwellen unter einem breiten Winkel abzustrahlen;
eine Anzahl von Ultraschall-Empfangseinrichtungen (4 _i, 5 _i) an einem oder mehreren kreisförmigen Umfängen des Rohres in einem Abstand (d) längs eines geradlinigen Teils des Rohres montiert sind;
die Bogensehnen (L_i) zwischen der Position der Abstrahleinrichtung (3) und den Empfangseinrichtungen (4 _i, 5 _i) verlaufen und den Querschnitt unterteilen, wobei entlang der Bogensehnen die Fließgeschwindigkeitskomponenten (v_i) der Fließgeschwindigkeitsverteilung gemessen werden und die gepaarten Empfangseinrichtungen (4 _i, 5 _i) zum Messen der Durchschnittsgeschwindigkeiten längs der Bogensehnen jeweils mit einer Verstärkungseinrichtung (8) verbunden sind; wobei
die Ausgangssignale von den Verstärkereinrichtungen (8) signalformenden Einrichtungen (9) zugeführt und dann die geformten Signale Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (10) zugeführt werden, falls die Fließgeschwindigkeit mittels eines Zeitdifferenzverfahrens gemessen wird, oder
die Ausgangssignale der Verstärkereinrichtungen (8) Phasendifferenz-erfassenden Einrichtungen (17) zugeführt werden, falls die Fließgeschwindigkeit mittels des Phasendifferenzverfahrens gemessen wird;
wobei die Ausgangssignale von der Zeitdifferenz- Meßeinrichtung bzw. der Phasendifferenz-erfassenden Einrichtung in den Mikroprozessor (12) eingegeben werden, um die Fließgeschwindigkeit und die Durchflußrate zu berechnen.

2. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine zusätzliche Empfangseinrichtung (6) der Position der Ultraschall ausstrahlenden Einrichtung (3) am Rohr senkrecht gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das Ausgangssignal von der zusätzlichen Empfangseinrichtung dem Mikroprozessor (12) zugeführt wird und daraus die Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit (C) einfach berechnet werden kann.

3. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich eine mittlere Fließgeschwindigkeit (V_i) längs einer Bogensehne (L_i) aus der Fließgeschwindigkeitskomponente (v_i) wie folgt berechnet: v_i = V_i · cosϕ_i,wobei ϕ_i der Winkel zwischen der Bogensehnenrichtung und der mittleren Fließgeschwindigkeit ist.

4. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abstrahleinrichtung (3) und die Empfangseinrichtungen (4 _i, 5 _i) an einem geradlinigen Teilstück des Rohres montiert sind, wobei sich der am Rohr oberhalb liegende Kreisumfang mit ersten Empfangseinrichtungen (4 _i) in einem Abstand (d) von der Abstrahleinrichtung (3) befindet und sich der am Rohr unterhalb liegende Kreisumfang mit zweiten Empfangseinrichtungen (5 _i) in einem Abstand (d) von der Abstrahleinrichtung (3) befindet.

5. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abstrahleinrichtung (6) an ihrer Abstrahloberfläche einen Ultraschall-Absorber (7) aufweist, der ringstreifen förmig ist, um zu verhindern, daß kontinuierlich abgestrahlte Ultraschallwellen von den Rohrwänden zu den Empfangseinrichtungen reflektiert werden.

6. Ultraschall-Mehrkanal-Durchflußraten-Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die von der Abstrahleinrichtung (3) strahlförmig auseinanderlaufenden Bogensehnen (L_i) zur Näherungs- Berechnung durch entsprechende Strecken (r_i) im Rohr ersetzt werden, um die Einfachheit und Genauigkeit der Durchflußratenberechnung sicherzustellen, wobei der Mikroprozessor (12) die Fließgeschwindigkeit (V_i) und damit die Teildurchflußrate durch Multiplizieren der Fließgeschwindigkeit (V_i) mit einer Teilfläche (ΔS_i), die der Fließgeschwindigkeit V_i = f(r_i) zugeordnet ist, berechnet und der Mikroprozessor dann die Gesamtdurchflußrate durch Aufsummieren der Teildurchflußraten berechnet.