DE202010004669U1

DE202010004669U1 - Ultraschall-Durchflussmesser, insbesondere zur Durchflussmessung von Fluiden in kleinvolumigen Rohren

Info

Publication number: DE202010004669U1
Application number: DE201020004669
Authority: DE
Original assignee: SONOTEC DR ZUR HORST MEYER und; Sonotec Dr Zur Horst-Meyer und Muench oHG
Current assignee: SONOTEC DR ZUR HORST MEYER und; Sonotec Dr Zur Horst-Meyer und Muench oHG
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2020-04-02

Abstract

Ultraschalldurchflussmesser, insbesondere zur bidirektionalen Durchflussmessung von Fluiden in kleinvolumigen Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldurchflussmesser (1) aus einem kompakten Messzellengehäuse (11) besteht, in welchem parallel zu einer seiner Längsseiten ein Messkanal (9) verläuft, der an seinem Beginn und an seinem Ende mit ringförmig ausgebildeten Einaufräumen (12 bzw. 15) in Verbindung steht, wobei in den letztgenannten – auf der Seite eines Zulaufstutzens (13) – ein Schallwandler I (10) und – auf der Seite eines Ablaufstutzens (2) – ein Schallwandler II (7) eingebunden ist, der Weg des zufließenden und des abfließenden Fluides im Messzellengehäuse (11) in Bezug auf die Strömungsachse im Messkanal (9) parallel zu letzterer versetzt ist und eine Umlenkung um 90° in bzw. aus einem Einlaufraum (12 bzw. 15) vorgesehen ist sowie gegenüber den Umlenkungen jeweils Verschlussstopfen (4) angeordnet, die auf Querbohrungen an den Umlenkungen stoßen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflussmesser, insbesondere zur Durchflussmessung von Fluiden in kleinvolumigen Rohren. Er realisiert in einer Größenordnung von ca. 1,6–6 mm Rohrdurchmesser Messungen in der Dosiertechnik, Medizintechnik, der Biotechnologie bzw. der Halbleiterindustrie.
Wie allgemein bekannt ist, nutzen Anordnungen zur Ultraschallmessung der Flussgeschwindigkeit von Fluiden in Rohrleitungen die für die zu detektierenden Medien unterschiedlich schnelle Ausbreitung von Ultraschall in Hin- und Rückrichtung dahingehend aus, dass die Zeitdifferenz zwischen einer generierten Ultraschallwelle, einer reflektierten und einer empfangenen Ultraschallwelle, bei festliegender Wegstrecke zwischen zwei Schallwandlern – bei bekanntem Rohrdurchmesser – als Berechnungsgröße der Fließgeschwindigkeit des entsprechenden Mediums, hier eines Fluids, Verwendung findet.
Eine solche Zeitmessung muss jedoch, um Verfälschungen des Messergebnisses zu vermeiden, sehr genau und in sehr kurzer Zeit durchzuführen sein, um über die Messung der Flussgeschwindigkeit möglichst zeitnah steuerungstechnisch auf Förderaggregate, wie z. B. Pumpen, Dosiereinrichtungen usw. einzuwirken, damit diese die Förderleistung erhöhen bzw. senken.
Die bekannten Lösungen der Durchflussmessung arbeiten in der Regel nach dem Time-of-Flight Verfahren bei dem auch die Tatsache Berücksichtigung findet, dass die Schalllaufzeit in und gegen die Flussrichtung eines Fluids unterschiedlich ist.
Nachfolgend soll auf einige Beispiele des Standes der Technik näher eingegangen werden.
So wird nach DE 27 32 236 B2 eine Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflussmenge eines Fluids genannt. In dieser Lösung wird ein Fluid entweder bei Vorliegen einer turbulenten oder einer zylinderförmig vorliegenden Strömung gemessen. Das Hauptkennzeichen ist hier darin zu sehen, dass die zwischen den Schallwandlern befindlichen Messstrecken (mehr als 2) in einem radialen Abstand von ca. 0,54 R zueinander angeordnet sind. Dabei können die Messstrecken parallel zur Strömungsachse des Fluids oder auch in definiertem Winkel zu dieser verlaufen.
Mit DE 34 14 988 C2 ist ein Ultraschall-Strömungsmesser bekannt.
Er besitzt Ultraschallwandler, die versetzt in Strömungsrichtung, außen am durchströmten Rohr angebracht sind. Hier ist ein Signalgeber mit einer Wandlerschaltung und eine Strömungsrecheneinheit mit einem Zeitdifferenzdetektor ausgestattet. Das Signal der Wandlerschaltung bewirkt dabei zwei Steuerungsfunktionen, nämlich es steuert die Übertragungszeit eines Synchronsignals und ein Frequenzteil-Zeitsignal. Weiterhin befindet sich in einer Ultraschalllaufstrecke oder zwischen ihr und dem Zeitdifferenzdetektor ein Empfangssignal-Detektor. Letzterer umfasst einen Komparator, einen Zähler und eine Bezugsgrößenselbstvorgabeeinheit.
In DE 41 14 233 C2 wird eine Anordnung zur Ultraschalldurchflussmessung vorgestellt. Sie enthält Schallwandler (Sender, Empfänger), eine Umschalteinrichtung mit Sendepulsformung, einen Empfangsverstärker, eine Torschaltung zur Schließung des Signalkreises und eine Zählerbaugruppe.
Prinzipiell realisiert die Anordnung eine dynamische Schwellenerniedrigung in der Empfangssignalerkennungsschaltung zum Zeitpunkt des Eintreffens eines Signals. Die Empfangssignalerkennungsschaltung steht über ein ausgebbares Komparatorsignal mit einem Multiplexer in Wirkverbindung der die Triggerschwelle schaltet. Ferner enthält die Anordnung eine Signalbewertungsschaltung, die in einem Selbstlernprozess unter anderem Signalamplitudenbereiche ermittelt und dazu mittels einer mit ihr verknüpften Integratorschaltung in der Lage ist.
Nach DE 197 31 173 A1 ist ein Ultraschalldurchflussmengenmesser bekannt mit zwei an den Enden eines Messrohres gegenüberliegenden Ultraschallmesswandlern, wobei dass Messrohr mit jeweils einem seiner Enden in die Durchflusskammern ragt und eine der Kammern über einen Zulauf und die zweite über einen Ablauf verfügt. Wichtigster Aspekt dieser Lösung ist, dass die Achse des Messrohrs um seinen Mittelpunkt und um einen definierten Winkel α gegenüber der Achse der Messwandler im Gehäuse verstellt ist. Außerdem befinden sich die Stirnseiten des geneigten Messrohrs in paralleler Lage gegenüber den Frontseiten der Messwandler. Weitere konstruktive Ausgestaltungen wurden dargestellt.
Die US 5,974,897 zeigt einen Ultraschallflüssigkeitsmesser. Er dient zur Detektion der Fließgeschwindigkeit in einem durch ein Fluid durchströmten Rohr. Die Einrichtung besteht aus einem Rohr konstanten Durchmessers und drei darauf platzierten, ringförmig geformten Ultraschallwandlern, die in definiertem Abstand zueinander angeordnet sind. Der mittlere dient der Ultraschallerzeugung einer Welle. Die Welle wird dann durch die beiden, als Empfänger ausgebildeten Wandler, aufgenommen, wobei ein Empfänger über einen Komparator das empfangene Signal an einen zweiten zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit überträgt.
In ähnlicher Ausbildung ist ein Ultraschallflüssigkeitsmesser gemäß US 6,055,868 strukturiert, wobei hier lediglich zwei um ein Rohr ringförmig angeordnete Ultraschallwandler, nämlich einer als Sender und ein zweiter als Empfänger ausgebildet, genutzt werden. Die ausgesandte (stromauf und stromab gemessene) Welle wird in der vorliegenden zeitlichen Differenzbildung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit des Fluids im Rohr ausgewertet.
Gemäß der Diskussion zum hier genannten Stand der Technik ist erkennbar, dass nach einer Lösung gesucht werden muss, einen hochdynamischen Ultraschalldurchflussmesser für Durchflussbereiche zu entwickeln, die deutlich unter den technisch bisher möglichen gehaltenen liegen und, der gegen hochaggressive Medien resistent ist, um in Anwendungsgebiete vorstoßen zu können, wie eingangs aufgezeigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Ultraschalldurchflussmesser, insbesondere für eine bidirektionale Messung mit sehr hoher Messgenauigkeit, vorzuschlagen, der speziell ausgebildete Messwandler – zur Ausübung einer Turbulenz in einer innerhalb einer Messstrecke fließenden anorganischen oder organischen Flüssigkeit – aufweist, wobei im Bereich zumindest eines Messwandlers durch geeignete Maßnahmen die Temperatur der Flüssigkeit detektierbar ist, um zusätzlich Rückschlüsse auf weitere physikalische Parameter ziehen zu können.
Die zwischen den Messwandlern befindliche Messstrecke soll dabei als ein rohrförmiger Messkanal vorliegend, der entweder innerhalb des Grundwerkstoffs, der das Gehäuse des Durchflussmessers bildet, verläuft oder es soll die Messstrecke (der Messkanal) in Form eines metallenen Rohrs, mit einer die Ultraschalleinkopplung verbessernden Innenbeschichtung, ausgebildet sein. Ziel des Ultraschalldurchflussmessers soll es schließlich sein, den Durchsatz des Fluidstroms nur gering abzumindern, damit auf den Pumpenförderdruck möglichst wenig Einfluss ausgeübt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Schutzanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß der Schutzansprüche 2 bis 7.
Weitere Hinweise zur Lösung der Aufgabe der Erfindung sind erforderlich.
Der Ultraschalldurchflussmesser besteht aus einem Kunststoffkörper als Gehäuse, wobei als Werkstoff chemisch hochfester PVDF (Polyvinylidenfluorid) bevorzugt Verwendung findet. Das Gehäuse wird stirnseitig durch aufschraubbare Deckel, insbesondere aus Edelstahl bestehend, abgeschlossen, wobei aus den Deckeln durch diese fixiert je ein Zu- bzw. Ablaufstutzen heraustritt. Im Inneren des Gehäuses ist nahe seiner durchgehenden Längsseite ein Messkanal für die Einkopplung des Ultraschalls eingebracht, der jeweils eingangs- bzw. ausgangsseitig auf Einlaufräume trifft, in die ein Fluid über einen Zulaufstutzen eingeleitet bzw. über einen Ablaufstutzen aus dem Durchflussmesser wieder abgeführt wird, wobei die Einlaufräume in Ringform um einen Schallwandler I bzw. um einen Schallwandler II ausgebildet sind zu dem Zweck, dass nach Verlassen des Einlaufraumes am Schallwandler I (bei gegenläufiger Durchflussrichtung am Schallwandler II) das Fluid in turbulenter Strömung in den Messkanal eintritt, wodurch eine präzisere Einkopplung und Auswertung des Ultraschall erfolgen kann. Die Führung des Fluids in den Durchflussmesser hinein und aus ihm heraus erfolgt über die seitlich und parallel zur Strömungsachse der Messstrecke versetzten Zu- und Ablaufstutzen, wobei der Strom des Fluids zum einen nach dem Zulaufstutzen und zum anderen vor dem Ablaufstutzen um 90° umgelenkt ist. In einem oder beiden Verschlussstopfen, die jeweils gegenüber den Schallwandlern I bzw. II im Winkel der um 90° umgelenkten Fluidführung angeordnet sind, sind Temperaturfühler integriert, um zusätzlich Rückschlüsse auf physikalische Parameter, wie z. B. Viskosität oder Konzentration ziehen zu können.
Der Messkanal kann zur besseren Ultraschalleinkopplung als ein Metallrohr geringen Durchmessers, bevorzugt Edelstahl oder einer anderen Legierung bestehend aus Nickel-Molybdän, ausgebildet sein.
Bei sehr aggressiven Fluiden ist jedoch auch möglich, gänzlich auf eine metallische Führung des Fluids zu verzichten, wobei der Messkanal dann durch den chemisch beständigen Grundwerkstoff des Messzellengehäuses gelegt ist.
Durch die Ausbildung der Schallwandler I bzw. II und der sie umgebenden Einlaufräume erübrigt sich eine Zwangsentlüftung des Ultraschallflussmessers, da bereits bei minimalen Durchsatz eines Fluidstromes eventuell vorhandene Blasen ausgetragen werden. Der Ultraschalldurchflussmesser ist in jeder Einbaulage einsetzbar. Mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen sich kleine Geschwindigkeitsänderungen des Fluidstroms sehr dynamisch und mit hoher Abtastrate messen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu soll auf die 1 bis 3 zurückgegriffen werden.
Es zeigen:
1: Seitenansicht von rechts im Längsschnitt
2: Vorderansicht in perspektivischer Darstellung
3: Rückansicht in perspektivischer Darstellung
Der Ultraschalldurchflussmesser 1 besteht aus einem chemisch hochfesten Kunststoff bzgl. seines Messzellengehäuses 11, wobei dieses zu- und ablaufseitig mittels der Deckel 3 abgeschlossen ist. Im Innern desselben befindet sich in der Nähe seiner durchgehenden Längsseite, gem. 1, ein Messkanal 9 – ausgebildet als ein Metallrohr 14 mit einer Außenumhüllung 19 –, wobei der Messkanal 9 zu- bzw. abflussseitig in ringförmig ausgebildete Einlaufräume 12 bzw. 15 mündet. Die Einlaufräume 12 bzw. 15 umgeben mit ihrer vorteilhaften Ausbildung Schallwandler I bzw. II; 7 bzw. 10, so dass einlaufseitig eine gezielte Turbulenz des einströmenden Fluids initiiert wird. Die Ein- bzw. die Auslaufstrecke des strömenden Fluids befindet sich in einer zur Strömungsachse des Messkanals 9 parallel versetzten Position, wobei der Fluidstrom vor Eintritt in den Einlaufraum 12 und nach Verlassen des Einlaufraums 15 um jeweils 90° umgelenkt ist. Verschlussstopfen 4 mit integrierten Temperaturfühlern 5 sind im Messzellengehäuse 11 gegenüber den Einlaufräumen 12 bzw. 15 von außen in das Messzellengehäuse 11 übe eine Querbohrung in Richtung der internen Umlenkung des Fluidstromes eingebracht.
Die Vorteile der Erfindung werden zusammenfassend darin gesehen:

– stabile Verwirbelung des Fluids vor Eintritt in den Messkanal erbringt eine hohe Reproduzierbarkeit der Messwerte,
– die Entlüftung des Fluides nach Verlassen des Ultraschalldurchflussmessers ist automatisch gegeben,
– eine unabhängige Einbaulage kann vorgesehen werden,
– eine gleichzeitige Temperaturüberwachung sorgt für Aufnahme individueller Kalibrierkurven von physikalischem Messgrößen und damit für exakte Durchflussmessungen,
– Durchführung dynamischer Messungen in sehr kurzen Intervallen ist möglich, unter anderem, weil das Messstreckenvolumen sehr klein ist,
– Dosiervorgänge sind genauer und verzögerungsfrei abbildbar, bei einer Frequenz von bis zu 500 Hz
– es kann in beide Richtungen gemessen werden, wodurch Einschwingungsvorgänge bzw. pulsierende Strömungen (z. B. Schlauchpumpen) fehlerfrei und genau erfasst werden können.

1: Ultraschalldurchflussmesser
2: Ablaufstutzen
3: Deckel
4: Verschlussstopfen
5: Temperaturfühler
6: Fixierbolzen
7: Schallwandler II
8: Elektronikblock
9: Messkanal
10: Schallwandler I
11: Messzellengehäuse
12: Einlaufraum
13: Zulaufstutzen
14: Metallrohr
15: Einlaufraum
16: Steckverbinder Messbetrieb
17: Steckverbinder Programmierung
18: Befestigungsbohrung
19: Außenumhüllung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2732236 B2 [0006]
- DE 3414988 C2 [0007]
- DE 4114233 C2 [0009]
- DE 19731173 A1 [0011]
- US 5974897 [0012]
- US 6055868 [0013]

Claims

Ultraschalldurchflussmesser, insbesondere zur bidirektionalen Durchflussmessung von Fluiden in kleinvolumigen Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldurchflussmesser (1) aus einem kompakten Messzellengehäuse (11) besteht, in welchem parallel zu einer seiner Längsseiten ein Messkanal (9) verläuft, der an seinem Beginn und an seinem Ende mit ringförmig ausgebildeten Einaufräumen (12 bzw. 15) in Verbindung steht, wobei in den letztgenannten – auf der Seite eines Zulaufstutzens (13) – ein Schallwandler I (10) und – auf der Seite eines Ablaufstutzens (2) – ein Schallwandler II (7) eingebunden ist, der Weg des zufließenden und des abfließenden Fluides im Messzellengehäuse (11) in Bezug auf die Strömungsachse im Messkanal (9) parallel zu letzterer versetzt ist und eine Umlenkung um 90° in bzw. aus einem Einlaufraum (12 bzw. 15) vorgesehen ist sowie gegenüber den Umlenkungen jeweils Verschlussstopfen (4) angeordnet, die auf Querbohrungen an den Umlenkungen stoßen.
Ultraschalldurchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Verschlussstopfen (4) mit Temperaturfühlern (5) ausgestattet sind
Ultraschalldurchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Messkanal (9) aus einem Metallrohr (14), bevorzugt aus Edelstahl, besteht.
Ultraschalldurchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Messkanal (9) durch den Werkstoff des Messzellengehäuses (11) selbst führt.
Ultraschalldurchflussmesser nach einer der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (9) bzw. das Metallrohr (14) einen minimalen Durchmesser von ca. 1,6–6 mm besitzen.
Ultraschalldurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalldurchflussmesser (1) im Gehäuse einen Elektronikblock (8) besitzt und sich seitlich außen am Gehäuse je ein Steckverbinder für den Messbetrieb (16) und eine Service-Schnittstelle für die Programmierung (17) befinden.