DE19808642C1 - Vorrichtung zur Durchflußmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmessung mit Hilfe von Ultraschallsigna­ len.

Bei der Durchflußmessung mit Hilfe von Ultraschallsignalen nach dem Laufzeitverfahren ent­ stehen Empfangssignale, deren Laufzeit von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf dem Schallstrahl abhängt. Der Durchfluß hingegen ist dem Flächenmittelwert über den gesamten Rohrquerschnitt proportional. Der bei der Umrechnung von der gemessenen Laufzeit in den Durchfluß auftretende Kalibrierfaktor ist deshalb im allgemeinen vom Strömungsprofil abhän­ gig. Um einen vom Strömungsprofil unabhängigen Kalibrierfaktor zu erhalten ist eine geeig­ nete Strahlführung erforderlich. In DE 43 36 370 C1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der durch Reflektoren im Meßrohr ein spiralförmiger Schallweg erzeugt wird. Dadurch wird die Abhängigkeit des Meßsignales vom Strömungszustand minimiert.

In EP 0268 314 A1 und EP 0715 155 A1 sind Anordnungen beschrieben, die den Einfluß von Drallströmungen auf den Meßeffekt verringern sollen. Die in EP 0268 314 Al beschriebene Anordnung weist zwei hintereinander in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt angeord­ nete Meßstellen mit gegenläufigem spiralförmigem Schallweg auf. Der Einfluß einer Drallströ­ mung auf den Meßeffekt hat an beiden Meßstellen umgekehrtes Vorzeichen, so daß der Mit­ telwert der Meßwerte beider Meßstellen unabhängig von der Drallströmung ist. Bei der in EP  0715 155 A1 beschriebenen Anordnung werden ebenfalls zwei hintereinanderliegende gegen­ läufige spiralförmige Schallwege verwendet, jedoch werden die beiden Schallwege mit nur einem Schallwandlerpaar und geeigneten Reflektoren in einem Rohr mit sechseckförmigem Querschnitt erzeugt. Andere bekannte Ultraschallmeßsysteme nutzen zur Durchflußmessung den Dopplereffekt. Dabei werden Ultraschallsignale in das strömende Medium gesendet und die an im Medium vorhandenen Streuteilchen reflektierten Signale empfangen. Die Frequenz­ differenz zwischen Sende- und Empfangssignalen ist ein Maß für die Strömungsgeschwindig­ keit. In DE 42 32 526 C2, DE 41 18 810 C2 und DE 41 18 809 A1 werden Anordnungen be­ schrieben, die ovalen, rechteckigen, sechs-, sieben- oder achteckigen Querschnitt haben. Die Formen bieten plane Flächen, die eine gegenüber dem kreisförmigen Querschnitt verbesserte Schalleinstrahlung ermöglichen. Ein vom Strömungszustand unabhängiger Kalibrierfaktor wird dadurch jedoch nicht erreicht.

In vielen Bereichen der Industrie besteht die Forderung nach eingriffsfreier Durchflußmessung. Der Meßwandler soll hohen Drücken und aggressiven Medien widerstehen und keine als Strö­ mungshindernis wirkenden Teile, an denen sich Rückstände sammeln könnten und welche die Reinigung der Anlage behindern würden, aufweisen. Dieser Forderung kommt die Clamp-on- Durchflußmessung in idealer Weise entgegen. Ein Clamp-on-Durchflußmeßgerät ist in DE  41 14 233 C2 beschrieben. Die Clamp-on-Durchflußmessung an Rohren mit kreisförmigem Querschnitt liefert jedoch kein vom Strömungszustand unabhängiges Meßsignal, da dieses dem Linienintegral über einen axialen Meßpfad proportional ist und nicht dem Flächenintegral über den Querschnitt des Rohres.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchflußmessung zu schaf­ fen, deren Meßsignal vom Strömungszustand unabhängig ist und die der Forderung nach Ein­ griffsfreiheit weitgehend genügt. Insbesondere soll die Vorrichtung ohne zusätzliche Reflekto­ ren im Meßrohr auskommen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Seitenansicht des Meßrohres mit Ultraschallwandlern und Schallweg,

Fig. 2 Querschnitt des Meßrohres in der Ebene des Ultraschallwandler T1 und ausgewählte Schallwege, in die Ebene des Ultraschallwandlers T1 projeziert,

Fig. 3 Querschnitt des Meßrohres in der Ebene des Ultraschallwandlers T1 und Schallwege der gesamten Wellenfront,

Fig. 4 Querschnitt eines Meßrohres mit abgerundeten Ecken in der Ebene der Ultraschall­ wandler T1a und b,

Fig. 5 Anordung mit geteilten Ultraschallwandlern T1a, b, c und d,

Fig. 6 Schallwege für die Anordnung mit geteilten Ultraschallwandlern,

Fig. 7 Schallwege für die Anordnung mit geteilten Ultraschallwandlern,

Fig. 8 Anordnung mit einseitiger Einstrahlung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel mit 3-fachem V-Pfad gezeigt. Der Schall wird von T1 in die Rohrwand eingekoppelt, durchläuft die Rohrwand und tritt ins Fluid ein. Nach mehrfacher Reflexion an der Rohrinnenwand wird der Schall über die Rohrwand ausgekoppelt und erreicht den Empfänger.

Die Dimensionierung der Querschnittsform des Meßrohres erfolgt mit dem Ziel, daß der ge­ samte Querschnitt des Meßrohres gleichmäßig beschallt wird und die Schallwege der einzelnen Anteile der Wellenfront möglichst weitgehend äquivalente Bereiche des Fluids durchlaufen. Erfindungsgemäß ist der Querschnitt ein Fünfeck, bei dem die Schallwandler auf der im fol­ genden als Grundseite bezeichneten Seite angebracht sind. Die an die Grundseite angrenzenden Seiten schließen mit dieser jeweils einen rechten Winkel ein. Die gegenüberliegenden Seiten schließen einen Winkel kleiner als 180° ein.

In einer Vorzugsform steht die Länge a der Grundseite zur Länge b der übrigen Seiten im Ver­ hältnis a : b = tan 60° : 1 (= Wurzel (3) : 1). Fig. 2 zeigt den Schallweg im Querschnitt für zwei ausgewählte Abstrahlpunkte vom rechten Schallwandlerrand bzw. von einem Punkt in der Nä­ he des Schallwandlerzentrums. Dabei wird vereinfachend angenommen, daß die Ausbreitung der Wellenfront auf parallelen Schallstrahlen erfolgt. Man erkennt, daß beide Wege äquivalente Bereiche des Fluids durchlaufen, wenn man davon ausgeht, daß das Strömungsprofil symme­ trisch ist. Weiterhin durchläuft jeder Schallweg sowohl zentrale Bereiche als auch Randberei­ che der Strömung. Näherungsweise trifft das auch für die übrigen Schallwege zu. Auf allen Schallwegen wird also in etwa der gleiche Meßeffekt wirksam. Das Gesamtsignal ergibt sich als Summe der Teilsignale auf den einzelnen Schallwegen. Bei der Summierung wirkt die Schallwandlerapertur als Wichtungsfaktor. Da jedoch auf allen Schallwegen der gleiche Me­ ßeffekt wirksam wird, hat die Schallwandlerapertur auf den Gesamtmeßeffekt bei dieser Vor­ richtung keinen Einfluß. Der Meßeffekt, nämlich die Schallaufzeitänderung aufgrund der Strö­ mung, ist also relativ unabhängig vom Strömungsprofil und der Schallwandleraperturfunkti­ on. An Fig. 3, wo die Schallwege der gesamten Wellenfront dargestellt sind, wird die gleich­ mäßige Beschaltung des Meßrohrquerschnittes deutlich.

Es zeigt sich, daß der Meßeffekt der Vorrichtung weitgehend unabhängig vom Strömungspro­ fil ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 5. Die Ecken des Fünfeckes sind abge­ rundet. Deshalb wird nur der auf die ebenen Teile der Rohrwände treffende Schall durch die Anordung geführt und der Querschnitt wird nicht vollständig beschaut. Die Schallanteile, die die Rundungen treffen, werden zerstreut. Die Einstrahlung in die Anordnung mit abgerundeten Ecken kann wie in Fig. 3 erfolgen. Beschränkt man die Einstrahlung jedoch, wie in Fig. 4 ge­ zeigt, dann werden die Rundungen weniger beschallt und die durch Streuung entstehenden Störschallanteile werden geringer. Der Ultraschallwandler T1 ist aufgeteilt in die beiden Wandler T1a und b. Ebenso wird auch der zweite Wandler T2 aufgeteilt.

Die Abrundung der Ecken beeinträchtigt zwar die vollständige Beschallung des Querschnittes der Anordnung, erleichtert aber die Reinigung.

Die unvollständige Beschallung bei abgerundeten Ecken führt gegenüber der Variante mit scharfen Kanten zu einer Vergrößerung der Abhängigkeit des Meßeffektes vom Strömungszu­ stand. Denkbar ist dann die Aufteilung der Schallführung in zwei Strecken mit unterschiedli­ chem Meßeffekt, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Schallführung beider Teilstrecken zeigen Fig. 6 und Fig. 7. Aus dem Verhältnis der Meßwerte beider Strecken kann auf den Strömungszustand geschlossen und eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden.

Wegen der Symmetrie der Anordnung ist auch die Einstrahlung nur auf der halben Grundfläche der Anordnung nach Fig. 8 denkbar. Nach 5-facher Reflexion an den Wänden der Anordnung gelangt der Schall an diejenige Hälfte der Grundfläche, an der nicht eingestrahlt wurde. Dort kann sich der Empfangswandler T2 befinden oder der Schall gelangt nach Reflexion an der Grundfläche auf dem in der Querschnittsdarstellung gleichen Weg zur anderen Hälfte der Grundfläche, wo sich der Empfangswandler T2 befindet.

Der Einstrahlwinkel im Fluid und somit auch der gegenseitige Abstand der Ultraschallwandler T1 und T2 hängt bei einer Clamp-on-Anordnung von der Schallgeschwindigkeit des Fluids ab. Deshalb ist eine Anordnung mit festinstallierten Wandlern nur für einen bestimmten Bereich von Schallgeschwindigkeiten des Fluids geeignet. Um einen größeren Bereich vor. Schallge­ schwindigkeiten mit derselben Meßanordnung abzudecken, können mehrere der beschriebenen Schallwandleranordungen mit unterschiedlichem gegenseitigen Abstand der Ultraschallwandler T1 und T2 auf demselben Meßrohr angebracht werden.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich auch zur Durchflußmessung von Gasen und für den Einsatz in Wärmemengenmessern.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Durchflußmessung mit einem von einem gasförmigen oder flüssigen Medi­ um durchströmten Meßrohr mit einem oder mehreren Schallwandlerpaaren, die jeweils aus einem im Sendebetrieb und einem im Empfangsbetrieb arbeitenden Clamp-on- Ultraschallwandler bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Meßrohres im wesentlichen ein Fünfeck ist, bei dem eine Grundseite, auf der die Schallwandler angeordnet sind, zu den beiden angrenzenden Seiten jeweils einen rechten Winkel einschließt und die der Grundseite gegenüberliegenden Seiten einen Winkel kleiner als 180° einschließen, oder der Querschnitt aus einem solchen Fünfeck hervorgeht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge a der Grundseite des Fünfecks zur Länge b der übrigen Seiten im wesentlichen im Verhältnis a : b = tan 60° : 1 steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrquerschnitt abgerun­ dete Ecken aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken abgerundet sind und die Seitenlängen an dem Fünfeck gemessen werden, aus dem der Querschnitt durch Abrundung der Ecken hervorgeht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschallwandler eines Paares alternierend als Sender und Empfänger betreibbar sind.