DE2648718C2

DE2648718C2 - Mit Ultraschall arbeitendes Gerät zum Ermitteln physikalischer Größen eines Mediums

Info

Publication number: DE2648718C2
Application number: DE2648718A
Authority: DE
Inventors: Soeren Dipl.-Ing. Soenderborg Lolk (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1978-12-21
Also published as: JPS5355154A; US4144752A; SE438915B; NO144686C; DE2648718B1; SE7712056L; NO773508L; DK474277A; DK153810B; DK153810C; CA1099385A; NL7711062A; CH620301A5; FR2369566B1; NO144686B; GB1584293A; JPS6411885B2; IT1091021B; FR2369566A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Ultraschall arbeitendes Gerät zum Ermitteln physikalischer Größen, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, mit einem Ultraschall Sender und einem Ultraschall-Empfänger, die .äinen iL.igs der Achse eines Meßrohres verlaufenden Übertragungsweg definieren.

Bei einem bekannten Gerät diesef Art erstreckt sich das Meßrohr zwischen zwei Rohrbogen, wobei Sender und Empfänger je in der Außenwand eines Bogens angeordnet sind. Wesentlich häufiger sind jedoch Geräte, bei denen Sender und Empfänger, axial versetzt, auf einander gegenüberliegenden Seiten der Meßrohrwand angeordnet sind. Ferner ist ein Gerät bekannt, bei dem das Meßrohr aus Kunststoff besteht und Sender und Empfänger derart an der Meßrohrwand angebracht sind, daß sich ein zick-zack-förmiger Übertragungsweg ergibt, bei dem die Ultraschallwellen an der Meßrohrwand vielfach reflektiert werden.

Im Betrieb wird der Sender mittels eines Impulses erregt, so daß er kurzzeitig ein Ultraschallsignal abgibt. Die Laufzeit dieses Ultraschallsignals bis zum Erreichen des Empfängers wird festgestellt. Wenn bei einem strömenden Medium sowohl die Laufzeit in Strömungsrichtung als auch die Laufzeit gegen die Strömungsrichtung gemessen wird, läßt sich beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums oder dessen Dichte bestimmen. Wesentlich ist hierbei die genaue Feststellung der Laufzeit des Ultraschall-Signals. Dies setzt voraus, daß das Eintreffen der Wellenfront beim Empfänger recht genau feststellbar ist

Es hat sich gezeigt, daß die Laufzeitmessungen um so ungenauer werden, je geringer die Weite, bei Kreisquerschnitt also der Durchmesser, des Meßrohres ist Es besteht aber ein großes Bedürfnis nach Meßrohren mit kleinem Querschnitt, beispielsweise wenn verhältnismäßig kleine Mengen des Mediums mit verhältnismäßig große·· Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeleitet Werden sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

Gerät der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem mit sehr kleinen Rohrquerschnitten gearbeitet wird und trotzdem eine genaue Laufzeitmessung möglich ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßrohr eine lichte Weite hat, die kleiner ist als das etwa 15fache der Wellenlänge des Ultraschall-Signals und daß die Meßrohr-Innenwand aus einem Material besteht das eine geringere akustische Impedanz als Metall besitzt

Ό Diese Konstruktion beruht auf der überraschenden Feststellung, daß bei Meßrohren mit kleinem Querschnitt eine genaue Laufzeitmessung daran scheitert daß den Empfänger bereits vor dem Eintreffen der von der Grundwelle gebildeten Wellenfront vorlaufende

'⁵ Wellen nicht unerheblicher Energie treffen. Es wurde festgestellt daß diese voreilenden Wellen vom Senderkristall abgestrahlte Wellen erster und zweiter Art sind, die sich aufgrund der Wellengleichung mit größerer Geschwindigkeit als die ebene Grundwelle durch das Medium fortpflanzen. Bei der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt daß diese Wellen erster und zweiter Art eine Fortpflanzungsrichtung besitzen, die in einem Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der Grundwelle steht Wird nämlich die Grundwelle in Richtung der Meßrohrachse abgestrahlt so erreicht diese den Empfänger ungedämpft während die Wellen erster und zweiter Art auf die Rohrwand auftreffen und dort reflektiert werden, dabei aber wegen der geringeren akustischen Impedanz der Innenwand eine Dämpfung erfahren. Damit wird sichergestellt, daß die voreilenden Wellen so schwach sind, daß der Empfänger hiervon noch nicht erregt werden kann.

Bei den meisten Flüssigkeiten liegt die Schallgeschwindigkeit zwischen 1500 und 1800 m/s. Für Wasser

» gilt 1500 m/s. Die Ultraschall-Frequenz sollte möglichst hoch gewählt werden, damit sich ein gutes Auflösungsvermögen ergibt; eine zu hohe Frequenz ergibt jedoch zu große Übertragungsverluste. Ein günstiger Wert der Ultraschall-Frequenz liegt bei 1 MHz. Bei dieser Frequenz liegt demnach die oberp Weite eines für Wasser bestimmten Meßrohres zwischen 20 und 25 mm. Durch Messungen läßt sich nachweisen, daß bei einem Meßrohr aus Metall mit einem Durchmesser von 25 mm und mehr keine Probleme mit vorlaufenden Wellen

⁴"> bestehen, während diese Probleme deutlich auftreten, wenn der Durchmesser 20 mm unterschreitet. Für andere Flüssigkeiten und andere Ultraschall-Frequenzen gilt entsprechendes.

Die Länge des Übertragungsweges darf bei den hier betrachteten Geräten eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreiten, weil bei zu kleinen Abständen zwischen den Wandlern die Zeitdifferenz für die Schallmessung zu klein wird und sich kein genaues Meßergebnis erzielen läßt Diese untere Grenze ist ein

■>5 rein praktischer Wert der vom Gerät und der meßtechnischen Seite her abhängt; er beträgt in der Regel mindestens das 40- 50fache der Wellenlänge des Ultraschallsignals. Häufig werden jedoch längere Übertragungswege. z.B. vom 150—20Ofachen der

^hf) Wellenlänge verwendet, beispielsweise wenn der Kristall des Ultraschallsenders einen kleineren Quer schnitt als den Meßfohrquefschnitt hat und dieser Rohrquerschnitt vollständig mit einer Schallwelle gefüllt werden soll, um einen Mittelwert zu erhalten.

^M Aber auch Übertragungswege vom 300—500fachen der Wellenlänge sind nicht unüblich- In allen Fällen ergeben sich die durch Anwendung der Erfindung angestrebten Reflektionen mit Dämpfung der Wellen erster und

zweiter Art Häufige Reflektieren führen zu entsprechend starken Dämpfungen.

Insbesondere kann die Meßrohr-Innenwand aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, bestehen. Kunststoffe haben entweder von Natur aus eine wesentlich geringere akustische Impedanz als Metall oder können ohne Schwierigkeit mit einer solchen Impedanz gefertigt werden.

Es genügt, wenn lediglich eine innere Wandauskleidung aus Kunststoff besteht Das Meßrohr selbst kann daher aus Metall gefertigt sein. Dies empfiehlt sich häufig dort, wo an die Festigkeit oder Temperaturbeständigkeit des Meßrohrs höhere Ansprüche gestellt werden.

Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung der erstrebten Ergebnisse verhältnismäßig geringe Dicken der Wandauskleidung genügen. Die Dicke braucht lediglich 0,5—1,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm zu betragen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch, teilweise im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert

Ein Meßrohr 1 ist mit einer Innenwand-Auskleidung 2 aus Polyamid versehen. Das Meßrohr besitzt ?.n seinem einen Ende einen Kopf 3, welcher ein Zulaufrohr 4 und in axialer Verlängerung des Meßrohres 1 einen Ultraschallwandler 5 aufnimmt. Am anderen Ende ist ein Kopf 6 vorgesehen, der ein Ablaufrohr 7 und in axialer Verlängerung mit dem Meßrohr 1 einen zweiten Ultraschallwandler 8 aufnimmt

Die beiden Wandler 5 und 8 sind mit einem Steuer- und Meßkreis 9 verbunden. Dieser gibt in einem ersten Takt einen Erregerimpuls an den Wandler 5 ab, worauf dieser als Sender ein Ultraschallsignal erzeugt. Das vom Wandler 8 als Empfänger aufgenommene Ultraschallsignal wird an den Kreis 9 gemeldet, so daß dieser die Laufzeit des Ultraschallsignals feststellen kann. Da das Medium in Richtung des Pfeiles P zugeführt wird, erfolgt diese Laufzeitmessung in Strömungsrichtung. Im zweiten Takt gibt der Steuer- und Meßkreis 9 einen Erregerimpuls an den Wandler 8 ab, so daß dieser als Sender für das nächste Ultraschallsignal dient Das von dem nunmehr als Empfänger wirkenden Wandler 5 ί aufgenommene Ultraschallsignal wird dem Kreis 9 gemeldet, so daß diesmal die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird. Aus diesen Meßergebnissen vermag ein mit dem Kreis 9 verbundener Auswertekreis 10 die Strömungsgeschwindigkeit und,

ίο da der Rohrquerschnitt vorgegeben ist, auch die hindurchfließende Menge festzustellen und anzuzeigen. Aus den ermittelten Werten läßt sich auch die Schallgeschwindigkeit im Medium und damit dessen Dichte ermitteln.

is Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Medium Wasser, bei dem die Schallgeschwindigkeit etwa 1500 m/s beträgt Die Ultraschallwandler arbeiten mit einer Grundfrequenz von 1 MHz. Die Wellenlänge einer Ultraschall-Schwingung beträgt daher 1,5 mm.

μ Das Meßrohr hat einen Außendurchmesser Da von 20 mm, eine Wandstärke von 1 mm so daß sich ein Zwischendurchmesser Dz von 18 mi«? ergibt.

Die Kunststoff-Auskleidung 2 hat ebenfalls eine Wandstärke von 1 mm, so daß sich ein Innendurchmes-

-¹^ ser D, von 16 mm ergibt Dies entspricht etwa dem 11 fachen der Wellenlänge. Die Länge des Übertragungsweges L ist 50 cm. Dies entspricht dem 333-fachen der Wellenlänge. Bei dieser Konstruktion sind die der eigentlichen Wellenfront voreilenden Wellen vernach-

i" lässigbar klein. Verwendet man dagegen ein Meßrohr gleichen Innendurchmessers, das aus Stahl besteht, ergeben sich sehr ausgeprägte voreilende Wellen.

Ähnlich gute Ergebnisse wurden auch mit Kunststoff-Auskleidungen von 0,5 und 2,0 mm erzielt. Dasselbe gilt

« auch für kleinere Innendurchmesser, beispielsweise 10 oder 14 mm, sowie etwas größere Innendurchmesser, wie beispielsweise 20 mm, und für unterschiedliche Längen L, beispielsweise 20 cm oder 75 cm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit Ultraschall arbeitendes Gerät zum Ermitteln physikalischer Größe, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums, mit einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger, die einen längs der Achse eines Meßrohrs verlaufenden Übertragungsweg definieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) eine lichte Weite (D) hat, die kleiner ist als etwa das 15fache der Wellenlänge des Ultraschallsignals und daß die Meßrohr-Innenwand (2) aus einem Material besteht, das eine geringere akustische Impedanz als Metall besitzt

2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrohr-Innenwand (2) aus Kunststoff besteht

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall-Meßrohr (1) eine innere Wandauskleidung (2) aus Kunststoff besitzt.

4. Gerät n."ch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Dicke der Wandauskleidung (2) 0,5—1,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm beträgt

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet daß der Kunststoff ein Polyamid ist.