DE19861186B4

DE19861186B4 - Duchflussmessvorrichtung

Info

Publication number: DE19861186B4
Application number: DE19861186A
Authority: DE
Inventors: Georg F. Wagner
Original assignee: Schubert und Salzer Control Systems GmbH
Current assignee: Schubert und Salzer Control Systems GmbH
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2018-03-03

Abstract

Eine Vorrichtung zur Durchflussmessung weist ein von dem zu messenden Medium durchströmtes Meßrohr (2), zwei gegeneinander ausgerichtete Ultraschallwandler (3, 4), die einen Schallstrahl senden bzw. empfangen, und einen Reflektor an der Messrohrinnenwand zur Reflexion des Schallstrahls auf, wobei der Reflektor durch eine zur Meßrohrlängsachse planparallele Reflexionsfläche (7) gebildet wird und das Messrohr (2) außerhalb der Reflexionsfläche einen runden Querschnitt aufweist. Die Messrohrwand ist zum Durchtritt des Schallstrahls (6) vom Sendeschallwandler (3) in das Medium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler (4) mit einer Ausnehmung (12, 13) versehen. Zwischen den Schallwandlern (3, 4) und dem Medium ist jeweils ein Schallleitkörper (10, 11) angeordnet, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl (6) senkrecht hindurchtritt und der eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache der Schallimpedanz des Mediums beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist z.B. aus DE 40 10 148 A1 bekannt. Dabei wird eine Schall-Laufzeitmessung durchgeführt. Das heißt, der Sendeschallwandler ist in Strömungsrichtung ausgerichtet, während der Empfangsschallwandler entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet und in einem solchen Abstand vom Sendeschallwandler angeordnet ist, dass der Ultraschall an der Messrohrinnenwand wenigstens einmal (also V-förmig), zweimal (also W-förmig) oder noch öfter reflektiert wird. Das Meßrohr weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Wandler sind in Taschen an Ausnehmungen in der Meßrohrwand vorgesehen. Um neben einem W-förmigen Schallpfad einen parasitären V-förmigen Schallpfad und damit eine Verschlechterung des Nutz/Störsignalverhältnisses zu verhindern, sind gekrümmte, fokussierende Reflexionsflächen vorgesehen. Auch ist solches rechteckiges Meßrohr mit einem spiralförmigen Meßpfad bekannt, wobei der Schall senkrecht zur Messrohr-Längsachse in das Medium ein- und aus dem Medium austritt und windschiefe Reflexionsflächen im Messrohr vorgesehen sind ( DE 43 36 370 C1 ). Abgesehen davon, daß die gekrümmten, fokussierenden bzw. windschiefen Reflexionsflächen mit einem entsprechend hohen Herstellungsaufwand verbunden sind, läßt die Meßgenauigkeit der bekannten Vorrichtungen noch zu wünschen übrig.

Die US 4,754,650 offenbart eine Vorrichtung zur Durchflußmessung mit einem von dem zu messenden Medium durchströmten Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern, die einen Schallstrahl senden bzw. empfangen. Bei einer Vorrichtung gemäß der US 4,754,650 tritt der Schallstrahl unmittelbar – also ohne zwischengeschalteten Schalleitkörper – vom sendenden Ultraschallwandler in das Medium über. Er wird an der Innenwand des Meßrohres reflektiert und tritt schließlich unmittelbar zum empfangenden Ultraschallwandler über. Die Wandler sind dabei jeweils am Ende eines Blindrohres angeordnet. In diesen Blindrohren kann es jedoch zu Verwirbelungen des zu messenden Mediums oder zur Ansammlung von Fremdmedien, wie beispielsweise von Luft- oder Dampfblasen, kommen. Somit wird die Meßgenauigkeit der Meßvorrichtung erheblich eingeschränkt.

Aus der EP 0 198 731 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein von einem Medium durchströmtes Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichtete Ultraschallwandler aufweist. Der Schallstrahl wird hier an der gekrümmten Außenwand des Meßrohres reflektiert (s. dortige 4). Dadurch wird der Schallstrahl bei der Reflexion aufgeweitet, weswegen dem empfangenden Ultraschallwandler nur ein Schallstrahl mit geringer Energie zugeführt wird, was wiederum nachteilig für die Genauigkeit der Messung ist.

Aus der DE 195 30 807 ist ebenfalls eine Meßvorrichtung mit einem durch ein Medium durchströmten Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern bekannt. Diese Vorrichtung offenbart Ausnehmungen zum Durchtritt des Schallstrahles, Schalleitkörper und einen senkrechten Durchtritt des Schallstrahles durch die Grenzfläche des Schalleitkörpers mit dem Medium. Die Ultraschallwandler sind hier jedoch auf einer Geraden angeordnet. Wegen der kurzen Laufstrecke des Schallstrahls ergibt sich eine eingeschränkte Meßgenauigkeit

Aus der GB 2 279 146 ist eine weitere Meßvorrichtung mit einem durch ein Medium durchströmten Meßrohr und zwei in einer Linie gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern mit vorgelagerten Schalleitkörpern bekannt, wobei der Schall schräg durch die Grenzfläche zwischen Schalleitkörper und Medium durchtritt. Auch hier ergibt sich wegen der kurzen Laufstrecke des Schallstrahls nur eine geringe Meßgenauigkeit.

Die JP 61-093914 und die DE 6944431 beziehen sich lediglich auf einen Teil einer Vorrichtung zur Durchflußmessung, nämlich auf unterschiedliche Meßköpfe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Schallaufzeitmeßvorrichtung hoher Meßgenauigkeit bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Das erfindungsgemäße Meßrohr weist, abgesehen von den zur Meßrohrlängsachse planparallelen Reflexionsflächen, einen runden Querschnitt auf, also beispielsweise einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt. Gegenüber einem rechteckigen Querschnitt, durch den die Strömungsgeschwindigkeit in den Ecken herabgesetzt wird, wird damit erfindungsgemäß das Strömungsprofil-Verhältnis verbessert. Für einen kleinen Meßfehler kommt es aber entscheidend darauf an, daß man im Bereich gleicher Strömungsgeschwindigkeit mißt, und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Größe der Strömungsgeschwindigkeit.

Nach der Erfindung ist vorzugsweise zwischen jedem Schallwandler und der Flüssigkeit oder dem sonstigen Medium, das das Rohr durchströmt, ein Schallleitkörper angeordnet, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl senkrecht hindurchtritt. Durch den senkrechten Durchtritt ist das System nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz von den Brechungsindizes der Flüssigkeit oder des sonstigen Mediums, das das Rohr durchströmt, unabhängig, auch von der Temperatur.

Damit wird ein messtechnisch stabiles System erhalten. Durch den Schallleitkörper werden die Schallwandler gegenüber dem Medium abgedichtet. Damit verhindert der Schallleitkörper bei elektrisch leitenden Medien zugleich elektrische Störungen der Schallwandler.

Energieverluste treten immer dort auf, wo zwei Medien mit ungleichen elastischen Eigenschaften zusammenstoßen. Schallwellen werden an Grenzflächen bei senkrechtem Einfall entweder reflektiert oder bei Schrägeinfall gebeugt und reflektiert, wobei gleichzeitig noch ein „Modenwandel" von transversal in longitudinal oder umgekehrt stattfinden kann. Jede Veränderung des physikalischen Zustandes einer Welle kostet Energie. Das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle pr und dem Druck der einfallenden Welle pe wird als Reflexionsfaktor R bezeichnet.

Das Verhältnis von durchgelassener Welle pd zu einfallender Welle pe wird als Durchlässigkeitsfaktor D bezeichnet.

Entscheidend für die Größen R und D sind die Schallwellenwiderstände oder Schallimpedanz: Z₁ = ρ₁·c₁ und Z₂ = ρ₂·c₂.

So ist Z₁ gleich 46 für Edelstahl und Z₂ gleich 1,5 für Wasser.

Bei Energieverlusten wird in relativen Größen gerechnet.

So ist der Betrag des reflektierten Schalldruckes

Der Betrag der reflektierten Amplitude liegt also nur um 0,5 dB (< 5%) unter dem Betrag der einfallenden, so dass eine fast ideale Reflexion vorliegt.

Demgegenüber hat die durchgelassene Welle in Wasser einen Schalldruck, der etwa 24 dB unter dem Schalldruck der einfallenden Welle in Edelstahl liegt.

Die relative Energiebilanz verschlechtert sich noch zunehmend, wenn man chemisch-technische Flüssigkeiten, wie Lösungsmittel-Gemische betrachtet, die folgende typischen Werte besitzen: c = 1200 m/s, ρ = 0,8 g/cm³ und damit Z ≈ 1 MPa/m.

Treffen Schallwellen an schräge Grenzflächen, kommt es noch zu weiteren Effekten aufgrund des Brechungsgesetzes nach Snellius:

sowie Wellenumwandlungseffekten, welche je nach Auftreffwinkel temperaturabhängig sind, weil die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.

Besonders wichtig für die Ortung von Reflektoren nach dem Doppler-Prinzip ist aber die Tatsache, daß mit dem Brechungsgesetz nur die Ausbreitungsrichtung der gebrochenen Schallwelle, nicht aber ihre Amplitude ermittelt werden kann. Außerdem tritt stets eine lineare Polarisation auf. Die Amplitude ist für die Bestimmung der Partikelgröße wichtig. Die Ortung von sehr kleinen Reflektoren in einem Medium (mit keinem ΔZ) ist also dann wirkungsvoll und zuverlässig, wenn mit einem Schallleitkörper mit entsprechender konstruktiver Gestaltung Schalldruck ohne „Streueffekte" gerichtet in das zu bestimmende Medium eingeleitet bzw. daraus empfangen werden kann. Für das Laufzeitverfahren, ebenso wie für das verwandte „Sing around"-Prinzip eröffnet sich die Möglichkeit, Messungen mit Flüssigkeiten bzw. Medien durchzuführen, die bisher nicht gemessen werden konnten. Beispielsweise waren Medien, die Dämpfungen von größer 10 dB/cm bei einer Frequenz von 1 MHz aufweisen, bisher weder einer Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit noch einer Partikeldetektion zugänglich.

Im Gegensatz dazu konnte mit MID-Durchflussmessern (magnetisches induktives Prinzip nach Faraday) – allerdings mit Elektroden, also nicht berührungslos – die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden, aber nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten und keine Partikel. Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Bestimmung von nicht leitfähigen Medien geeignet, wobei im Gegensatz zu den herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmessgeräten der Einsatz auf neue, bisher nicht zugängliche Medien erweitert wird, insbesondere kompressible Flüssigkeiten, Öle, hochgesättigte Suspensionen und Dispersionen, Klebstoffe mit Ausgasungseffekten, wie anaerobe Kleber und dgl.

Wie oben beschrieben, kommt es nämlich entscheidend darauf an, daß die ausgesandte physikalische Eigenart der Schallwelle unverfälscht und möglichst intensiv auf den Empfänger trifft.

Der Schallleitkörper hat in einer ersten Version zwei planparallele Flächen. Dies ermöglicht, daß nur die longitudinale Schallwelle in die Flüssigkeit eingeleitet wird. Flüssigkeiten können nur solche longitudinale Wellen übertragen. So kann auch diese Welle in gleicher Art wieder empfangen werden. Das ist auch hinsichtlich der Energieübertragung und Verluste die optimalste Art.

Der Schallleitkörper in der zweiten Version, d.h. mit gestuften Schalldurchtrittsflächen gemäß dem Anspruch 3 entspricht ebenso dem Prinzip der planparallelen Flächen, allerdings längengestuft.

Da es konkave wie konvexe Piezo-Schallwandler gibt, muß die Fläche des Schallleitkörpers nicht planparallel sein. Die Schallaustrittsfläche zum zu messenden Medium kann deshalb auch als eine gewölbte Fläche entsprechend einer Linse ausgebildet sein. Es kommt nur darauf an, daß die Welle senkrecht zur jeweiligen Stelle der Oberfläche des Schallleitkörpers austritt.

Nachstehend sind die Schallgeschwindigkeit (c), Dichte (ρ), Schallimpedanz (Z) und (teilweise) die Dämpfung (D) für einige Stoffe angegeben.

Der Schallleitkörper besteht erfindungsgemäß aus einem Material, das eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache, vorzugsweise höchstens das 8-fache der Schallimpedanz der Flüssigkeit oder des sonstigen das Messrohr durchströmenden Mediums beträgt. Damit wird eine hohe Energieeinkopplung und demzufolge hohe Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.

Das Material des Schallleitkörpers sollte allerdings auch einen hohen E-Modul von wenigstens 10 GPa, vorzugsweise wenigstens 20 GPa aufweisen.

Als besonders geeignetes Material für den Schallleitkörper hat sich Glaskohlenstoff herausgestellt. Glaskohlenstoff besitzt eine Schallimpedanz von etwa 7 MPas/m, d.h. wenn das das Messrohr durchströmende Medium, z.B. Wasser, eine Schallimpedanz von 1,5 MPas/m hat, liegt die Schallimpedanz von Glaskohlenstoff nur um etwa das Fünffache darüber. Zudem weist Glaskohlenstoff einen hohen E-Modul von 35 GPa auf.

Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)). Gegebenenfalls kann erfindungsgemäß z.B. auch Quarzglas verwendet werden oder Glaskeramik.

Glaskohlenstoff besitzt allerdings elektrisch leitende Eigenschaften. Demgemäß kann es bei Verwendung von Glaskohlenstoff als Schallleitkörper notwendig werden, zwischen dem Schallleitkörper und dem Schallwandler einen dünnen elektrischen Isolator, z.B. aus Kunststoff, beispielsweise Acrylkunststoff, oder Keramik oder Glas, anzubringen, oder der Schallleitkörper wird auf „Ground" gelegt. Dann liegt auch die Flüssigkeit auf „Massepotential".

Demgegenüber ist, wenn das Medium Wasser eine Schallimpedanz von 1,5 MPas/m hat, aus der Sicht der Energiebilanz und der Beibehaltung physikalisch gleichartiger Schalldruckwellen, beispielsweise Stahl als Schallleitkörper ungeeignet, ebenso Aluminiumoxid-Keramik mit einer Schallimpedanz von 32 MPas/m.

Dadurch werden die Energieverluste und Verluste durch Umwandlung in andere Arten von Schallwellen (longitudinal in transversal), die sonst bei der Ultraschall-Durchflussmessung auftreten, wesentlich herabgesetzt.

Damit werden Flüssigkeiten messbar, die bisher einer Ultraschall-Durchflussmessung nicht zugänglich waren, insbesondere hochdämpfende, hochviskose, kompressible Flüssigkeiten, sowie Suspensionen oder Dispersionen mit einem hohen Partikelgehalt von z.B. 50 Gew.-% und mehr. So ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in der Papierindustrie zur Durchflussmessung der Flüssigkeiten für den Papiervorstrich oder -hauptstrich einsetzbar, oder zur Durchflussmessung von Lacken und Beschichtungsmittel und zugleich zur Detektion von Partikeln, die Fehlstellen in der Oberfläche erzeugen.

Bei üblichen, also nicht hochdämpfenden Flüssigkeiten kann wegen ihrer hohen Empfindlichkeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Schallweg kürzer und damit das Messrohr im Durchmesser kleiner ausgebildet werden. Damit ist eine Miniaturisierung der Messvorrichtung möglich.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher als etwa zigarettenschachtelgroßer Messkopf mit einer Durchgangsbohrung ausgebildet, an die das eine bzw. andere Ende des Messrohres angeschlossen ist. Knapp daneben befindet sich die Elektronik des Messwertaufnehmers.

Der Messkopf kann dazu aus einem Messkopfkörper z.B. aus Kunststoff, beispielsweise einem Fluorpolymeren, wie PVDF bestehen oder aus Edelstahl. Die Durchgangsbohrung kann an ih ren Enden jeweils mit einem Innengewinde versehen sein, in das das Messrohr eingeschraubt ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Messkopf zeigt.
Der Messkopf 1 ist zur Ultraschall-Laufzeitmessung ausgebildet. Dazu ist ein Messrohr 2 mit einem Ultraschall-Sendewandler 3 und einem Ultraschall-Empfangswandler 4 versehen. Die beiden Wandler 3, 4 sind gegeneinander gerichtet, d.h. der Sendewandler 3 ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gemäß dem Pfeil 5 gerichtet, während der Empfangswandler 4 gegen die Strömungsrichtung 5 gerichtet ist.
Ferner sind die Wandler 3, 4 in einem solchen Abstand voneinander angeordnet, dass der Schallstrahl 6, der an einer Reflexionsfläche 7 an der Messrohrinnenwand reflektiert wird, zwischen dem Sendewandler 3 und dem Empfangswandler 4 einen V-förmigen Verlauf besitzt.
Es versteht sich, dass der schräg zur Messrohrlängsachse 8 verlaufende Schallstrahl 6 auch zweimal oder noch öfter an der Messrohrinnenwand reflektiert, also z.B. bei einer zweimaligen Reflexion auch einen W-förmigen oder Z-förmigen Verlauf aufweisen kann, oder z.B. einen VW-förmigen Verlauf.
Die Schallwandler 3, 4, die jeweils als plättchenförmige Piezoelemente ausgebildet sind, sind jeweils auf der äußeren Stirnseite eines stiftförmigen Schallleitkörpers 10, 11 angeordnet, der aus einem Material mit einer Schallimpedanz besteht, die höchstens das 15-Fache der Schallimpedanz der in dem Messrohr 2 strömenden Flüssigkeit beträgt. Vorzugsweise bestehen die Schallleitkörper 10, 11 aus Glaskohlenstoff.
Zum Durchtritt des Schallstrahls 6 vom Sendeschallwandler 3 durch den Schallleitkörper 10 in die Flüssigkeit im Messrohr 2 bzw. von der Flüssigkeit im Messrohr 2 durch den Schallleitkörper 11 in den Empfangsschallwandler 4 ist das Messrohr 2 am inneren Ende der Schallleitkörper 10, 11 mit einer fensterförmigen Ausnehmung 12, 13 versehen.
Zwischen den Schallwandlern bzw. Piezoplättchen 3, 4 ist, falls erforderlich, eine Isolierschicht 14, 15 vorgesehen, z.B. aus Acryl, Keramik u.ä., um den Schallleitkörper 10, 11 von dem Piezoplättchen 3, 4 elektrisch zu isolieren.
Zur Aufnahme der Schallleitkörper 10, 11 sind auf dem Messrohr Reiter oder ein kompakter Aufnahmekörper 16, 17 befestigt, die jeweils mit einer Bohrung versehen sind, in denen die Schallleitkörper 10, 11 angeordnet sind. Um das Messrohr 2 nach außen abzudichten, sind die Schallleitkörper 10, 11 in den Bohrungen durch O-Ringe oder dgl. Dichtmittel 18, 19, z.B. durch Fluorkohlen- bzw. Fluorkohlenwasserstoff-Polymere, wie Polytetrafluorethylen, abgedichtet, z.B. eingeklebt, eingepreßt oder eingesintert.
Das Messrohr 1 kann beispielsweise aus Stahl, Glas oder Glaskohlenstoff bestehen.
Um eine Schallbrechung nach Snellius (und weitere Störeffekte) an der Grenzfläche zwischen dem Schallleitkörper 10, 11 und der Flüssigkeit im Messrohr 2 zu verhindern, tritt der Schallstrahl 6 durch diese Grenzfläche senkrecht hindurch. Dazu können die Schallleitkörper 10, 11 eine zu ihrer Längsachse senkrechte, also zum Piezoelement 3 bzw. 4 parallele Stirnfläche als Grenzfläche zur Flüssigkeit besitzen. Allerdings wird dadurch ein Totvolumen zwischen dieser Grenzfläche, der Bohrung in dem Aufnahmekörper 16, 17 und dem Messrohr 2 gebildet. In diesem Totvolumen können sich Gasblasen ansammeln, die zu einer vorübergehenden Schwächung bzw. Un terbrechung des Schallstrahls 6 und damit zur Funktionsunfähigkeit der Vorrichtung führen können.
Um dies zu verhindern ist die Grenzfläche zwischen den Schallleitkörpern 10, 11 und der Flüssigkeit im Messrohr 1 mit treppenförmig angeordneten Schalldurchtrittsflächen 21, 22,... versehen, die zum Schallstrahl 6 senkrecht verlaufen, wobei die Kanten der Treppe mit der Innenwandung des Messrohres 2 fluchten.

Claims

Vorrichtung zur purchflußmessung mit einem von dem zu messenden Medium durchströmten Meßrohr (2), zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern (3, 4), die einen Schallstrahl (6) senden bzw. empfangen, und wenigstens einem Reflektor an der Meßrohrinnenwand zur Reflexion des Schallstrahls (6), wobei der Reflektor durch eine zur Meßrohrlängsachse planparallele Reflexionsfläche (7) gebildet wird und das Meßrohr (2) außerhalb der Reflexionsfläche (7) einen runden Querschnitt aufweist, wobei die Meßrohrwand zum Durchtritt des Schallstrahls (6) vom Sendeschallwandler (3) in das Medium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler (4) mit einer Ausnehmung (12, 13) versehen ist und zwischen den Ultraschallwandlern (3, 4) und dem Medium jeweils ein Schallleitkörper (10, 11) angeordnet ist, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl (6) senkrecht hindurchtritt und der eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache der Schallimpedanz des Mediums beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Schallleitkörper (10, 11) aus Glaskohlenstoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche zum senkrechten Durchtritt des Schallstrahls (6) mit treppenförmig angeordneten, zum Schallstrahl (6) senkrecht verlaufenden Schalldurchtrittsflächen (21, 22, 23...) versehen ist.