DE29719730U1 - Durchflußmeßgerät - Google Patents

Description

GR 97 G 4455 DE

Beschreibung
Durchflußmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 43 3 6 370 Cl ist eine Vorrichtung zur Durchflußmessung bekannt, bei welcher auf einer Seite eines Meßrohres zwei Ultraschallwandler angebracht sind, die alternierend im Sende-/Empfangsbetrieb arbeiten. Auf der den Ultraschallwandlern gegenüberliegenden Seite des Meßrohres sind zwei Reflektoren befestigt, deren Geometrie so ausgelegt ist, daß ein vom aktuellen Sendewandler erzeugtes Ultraschallsignal spiralförmig durch das Meßrohr geführt wird. Dadurch wird eine weitgehend vom vorherrschenden Strömungsprofil unabhängige Durchflußmessung erreicht. Zur spiralförmigen Schallführung werden beispielsweise bei einem viereckigen Meßrohr Sende- und Empfangswandler an der Oberseite in axialem Abstand zueinander angeordnet. Jeweils an der den Wandlern gegenüberliegenden Unterseite des Meßrohrs befindet sich ein Reflektor, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem rechtwinkligen Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist. Durch den ersten Reflektor im Weg des Schallsignals wird dieses derart abgelenkt, daß es nacheinander an einer Seitenwand, an der Oberseite, an der anderen Seitenwand und schließlich am zweiten Reflektor wieder zur Oberseite hin reflektiert wird, an der sich der Empfangswandler befindet. Bezüglich weiterer konstruktiver Einzelheiten der Schallführung wird auf die DE 43 36 370 Cl verwiesen.

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Das bekannte Durchflußmeßgerät erlaubt aufgrund der spiralförmigen Schallführung eine gute Abtastung des Strömungsprofils, da der Schall den Querschnitt des Meßrohrs nahezu vollständig durchläuft. Im Ergebnis wird damit eine Wirkung erzielt, die etwa einer Integration über den Querschnitt des Meßrohrs gleichkommt.

In industriellen Anwendungen kann es vorkommen, daß durch Pumpen, Rohrkrümmer oder andere Einbauten das fließende Medium in eine Drallbewegung versetzt wird. Ist der Drall innerhalb des Durchflußmeßgeräts nicht abgeklungen, so kann durch die Drallbewegung des Mediums der Meßwert verfälscht werden. Insbesondere bei spiralförmiger Schallführung kann dieser Fehler auftreten, da das Schallsignal eine Drehbewegung um die Meßrohrachse ausführt. Eine Möglichkeit zur Verringerung dieser Effekte ist der Einbau eines Drallbrechers vor der Meßstrecke des Durchflußmeßgeräts oder einer ausreichend langen Rohrvorlaufstrecke, in welcher eine unerwünschte Drallbewegung vor der Meßstrecke abklingen kann.

Eine andere Möglichkeit zur Abhilfe könnte das in der bereits erwähnten DE 43 36 370 Cl beschriebene Unterteilen der Reflektoren in jeweils zwei Reflexionsflächen darstellen. Die Reflexionsflächen werden derart ausgerichtet, daß die Wellenfront eines einfallenden Schallsignals in zwei in unterschiedlicher Richtung weiterlaufende Wellenfronten aufgespalten wird, die sich nach Durchlaufen eines gleich langen Weges im Meßrohr, jedoch mit einander entgegengesetzter Drehbewegung um die Meßrohrachse, im zweiten Reflektor rekombinieren. Als Nachteil dieser Möglichkeit wird jedoch angeführt, daß bei der Rekombination der Wellenfronten Signalpegelverluste zu erwarten sind.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflußmeßgerät mit einer verbesserten Meßgenauigkeit zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Durchflußmeßgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sich die unabhängig voneinander betreibbaren Meßstrecken in keiner Weise gegenseitig beeinflussen. Eine Reduzierung der Signalpegel, die bei der bekannten Lösung mit geteilten Reflektoren.durch Interferenz bei der Rekombination der beiden Wellenfronten auftreten kann, wird vermieden. Parasitäre Schallwege, die an den Kanten eines geteilten Reflektors entstehen könnten und sich dem Meßsignal überlagern würden, treten bei dem neuen Durchflußmeßgerät ebenfalls nicht auf.

In vorteilhafter Weise kann das neue Durchflußmeßgerät bezüglich einer die Meßrohrachse einschließenden Ebene symmetrisch aufgebaut werden. Durch eine derartige Symmetrie kann eine Drallerzeugung im Meßrohr ausgeschlossen werden. Ist das Strömungsprofil im Meßrohr dennoch drallbehaftet, so kann der Einfluß des Dralls auf das Meßergebnis anhand des Vergleichs zweier Messungen mit gegenläufiger Drehbewegung des Schallsignals analytisch kompensiert werden. Aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Verhinderung einer Drallbewegung im Meßrohr, beispielsweise durch Drallbrecher vor dem Meßrohreinlauf, sind nicht erforderlich, da auch bei drallbehafteten Strömungsprofilen eine gute Meßgenauigkeit erreicht wird. Das neue Durchflußmeßgerät zeichnet sich somit durch einen geringeren Raumbedarf am Einbauort aus. Zudem wird die Anlagen-

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Planung vereinfacht, da Einflüsse des Einbauorts sich weniger auf das Meßergebnis auswirken.

Aufgrund der Durchflußmessung mit mehreren, voneinander unabhängigen Meßstrecken wird ein Ausgleich verbleibender Unsymitietrien in der Schallausbreitung und Schallführung im Meßrohr, die durch Komponententoleranzen des Aufbaus oder Übertragungsverhaltens der Wandler, der Reflektoren oder der Meßgeometrie bedingt sein können, durch algorithmische Auswertung der Einzelmessungen ermöglicht.

Bei Ausfall einer Meßstrecke, beispielsweise wegen eines Wandlerdefekts, kann das Durchflußmeßgerät mit den verbleibenden Meßstrecken bei verringerter Meßgenauigkeit weiterbetrieben werden. Durch die unabhängig betreibbaren Meßstrecken wird somit die Verfügbarkeit des Durchflußmeßgeräts erhöht.

Ein Aufbau, der bezüglich einer die Meßrohrachse einschließenden Ebene symmetrisch ist, wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Schallwandler zweier Meßstrecken an benachbarten Seiten des Meßrohrs angebracht sind. Werden die Schallwandler paarweise auf gleicher axialer Höhe angeordnet, so messen beide Meßstrecken über denselben axialen Abschnitt des Meßrohrs. Ein eventuell in der Medienströmung vorhandener Drall ist somit für beide Meßstrecken gleich. Durch einfache Mittelwertbildung kann aus den Ergebnissen der Einzelmessungen mit beiden Meßstrecken ein Dralleinfluß kompensiert werden. Zudem ist der Aufbau des Meßrohrs mit Schallwandlern auf gleicher axialer Höhe besonders kompakt.

Werden die Schallwandler der einen und die Schallwandler der weiteren Meßstrecke axial gegeneinander versetzt, so wird

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auch das Strömungsprofil auf der einen Meßstrecke axial versetzt zur weiteren Meßstrecke abgetastet. Bei der Unterbringung der Wandler und Reflektoren am Meßrohr gibt es in diesem Fall keinerlei Raumprobleme. Werden die Wandler paarweise auf derselben Seite des Meßrohrs angebracht, so genügt für jedes Wandlerpaar ein Gehäuse und die Reflektoren beider Meßstrecken können paarweise in einer Reflektorkomponente zusammengefaßt werden. Das Meßrohr ist auf diese Weise mit geringerem Aufwand realisierbar.

Eine besonders hohe Meßgenauigkeit wegen einer weitgehend homogenen Abtastung des Strömungsprofils wird erreicht, wenn die Schallwandler das Schallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung in das Meßrohr einstrahlen und wenn jeweils ein Reflektor im Meßrohr gegenüber den Schallwandlern angeordnet ist, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem rechtwinkligen Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist.

Die beiden Meßstrecken müssen nicht zwangsläufig dieselbe axiale Länge haben, da auch bei unterschiedlicher axialer Länge der Meßstrecken eine analytische Kompensation des Dralleinflusses möglich ist. Durch eine Anbringung der Schallwandler der weiteren Meßstrecke axial zwischen den Schallwandlern der einen Meßstrecke kann ein besonders kompakter Aufbau des Meßrohres erreicht werden.

Für eine schnelle Meßfolge können auf mehreren Meßstrecken gleichzeitig Messungen durchgeführt werden. Es genügt jedoch eine einzige Ansteuer- und Auswerteeinheit, wenn diese für die verschiedenen Meßstrecken umschaltbar ist. Der zusätzliche Aufwand für weitere Meßstrecken beschränkt sich dann auf die Schallwandler und Reflektoren der Meßstrecke sowie

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eine Einrichtung zur wahlweisen Ansteuerung der verschiedenen Meßstrecken.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Meßrohr mit zwei Meßstrecken auf axial gleicher Höhe,

Figur 2 ein Schnittbild durch das Meßrohr nach Figur 1 mit

einem angedeuteten Schallweg einer-Meßstrecke, Figur 3 ein Schnittbild des Meßrohrs nach Figur 1 mit angedeutetem Schallweg einer weiteren Meßstrecke, Figur 4 ein Meßrohr mit axial gegeneinander versetzten Meßstrecken,
Figur 5 ein Meßrohr mit Meßstrecken unterschiedlicher axialer Länge und

Figur 6 ein Meßrohr mit axial gegeneinander versetzten Meßstrecken, deren Schallwandler auf einer Seite des Meßrohrs paarweise zusammengefaßt sind.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Meßrohrs 1, dessen Achse horizontal in der Zeichenebene verläuft. Das Meßrohr 1 wird von einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmt, dessen Durchflußmenge erfaßt werden soll. Ein Schallwandler WIl zum Senden eines Schallsignals in das Meßrohr 1 und ein Schallwandler W12 zum Empfangen des durch das Medium übertragenen Schallsignals gehören zu einer Meßstrecke. Gegenüber diesen Schallwandlern WIl und W12 ist jeweils ein Reflektor RIl bzw. R12 angeordnet. Durch den Reflektor RIl wird das Schallsignal derart reflektiert, daß es nacheinander zur hinteren Seitenwand, zur Oberseite, zur vorderen Seitenwand

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und zum Reflektor R12 gelangt. Das von dem Medium übertragene Schallsignal wird durch den Reflektor R12 zum Wandler W12 abgelenkt. Auf seinem Weg zwischen den Reflektoren RIl und R12 führt das Schallsignal somit eine Drehbewegung um die Meßrohrachse aus. Durch eine Ansteuer- und Auswerteeinheit 2 wird die Laufzeit des Schallsignals erfaßt. In einer weiteren Messung wird nun der Schallwandler W12 als Sender und der Schallwandler WIl als Empfänger eines Schallsignals betrieben. Aus der Differenz der beiden gemessenen Laufzeiten kann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Meßrohr 1 berechnet werden. Zur Kompensation einer Drallbewegung, die bei dieser Messung aufgrund der Drehbewegung, die das Schallsignal in seinem Verlauf um die Meßrohrachse ausführt, die gemessenen Laufzeiten direkt beeinflußt und somit die Messung der Strömungsgeschwindigkeit verfälscht, sind zwei weitere Schallwandler W21 und W22 an den Seiten des Meßrohrs angebracht. Diese gehören zusammen mit zwei ihnen gegenüberliegenden, an der hinteren Seitenwand des Meßrohrs 1 angeordneten Reflektoren zu einer weiteren Meßstrecke, deren Schallsignal eine Drehbewegung in entgegengesetzter Drehrichtung ausführt. Ein Drall des Mediums wirkt sich daher mit umgekehrtem Vorzeichen auf das Meßergebnis der weiteren Meßstrecke aus. Die beiden weiteren Schallwandler W21 und W22 werden ebenfalls von der Ansteuer- und Auswerteeinheit 2 alternierend als Sende- oder Empfangswandler betrieben. Aus den Laufzeitmessungen stromauf und stromab wird ein Meßergebnis für die drallbehaftete Strömungsgeschwindigkeit auf der weiteren Meßstrecke berechnet. Durch Mittelwertbildung wird aus den Meßwerten der Strömungsgeschwindigkeit der einen Meßstrecke und der weiteren Meßstrecke die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit berechnet, die nun frei von durch Drall verursachten Meßfehlern ist.

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Anhand der Figuren 2 und 3 soll im folgenden die Führung der Schallsignale im Meßrohr 1 weiter verdeutlicht werden. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Wandler WIl und der Reflektor RIl, die zu der einen Meßstrecke gehören und an der Führung des in Figur 2 dargestellten Schallsignals beteiligt sind, wurden mit durchgezogenen Linien eingezeichnet, während der nicht beteiligte Wandler W21 und der Reflektor R21 der weiteren Meßstrecke mit gestrichelten Linien eingezeichnet sind. Entsprechend einem Pfeil 3 wird ein Schallsignal von dem Schallwandler WIl auf den diesem gegenüberliegenden Reflektor RIl gesendet, der das Schallsignal gemäß einem Pfeil 4 derart ablenkt, daß es mit mehreren Reflexionen an den Wänden des Meßrohrs 1 spiralförmig umlaufend zu dem in Figur 2 nicht dargestellten Reflektor R12 gelangt, der es entsprechend einem Pfeil 5 zu dem ebenfalls in Figur 2 nicht sichtbaren Schallwandler W12 lenkt. Dieser Schallwandler ist in axialer Richtung zum Schallwandler WIl nach hinten versetzt und durch diesen verdeckt.

Obwohl dies bei der Darstellung eines Meßrohrquerschnitts gemäß den Figuren 2 und 3, bei denen der spiralförmige Verlauf des Schallwegs in die Zeichnungsebene projiziert wurde, nicht deutlich wird, hat der Weg des Schallsignals im spiralförmigen Bereich selbstverständlich eine senkrecht zur Zeichnungsebene gerichtete Komponente, damit aus den Differenzen gemessener Laufzeiten des Schallsignals stromauf und stromab auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden kann.

Figur 3 zeigt noch einmal den bereits in Figur 2 dargestellten Querschnitt eines Meßrohrs 1, in dem nun der Verlauf eines Schallsignals für die weitere Meßstrecke verdeutlicht wird. Wiederum sind die an der Schallübertragung beteiligten

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Komponenten, der Schallwandler W21 und der Reflektor R21, mit durchgezogenen Linien, dagegen der Schallwandler WIl und der Reflektor RIl, die daran nicht beteiligt sind, mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Entsprechend einem Pfeil 6 wird das weitere Schallsignal von dem Schallwandler W21 auf den diesem gegenüberliegenden Reflektor R21 gesendet, der das Schallsignal gemäß einem Pfeil 7 derart ablenkt, daß es mit mehreren Reflexionen an den Wänden des Meßrohrs 1 spiralförmig umlaufend zu einem zweiten, in Figur 3 nicht dargestellten Reflektor gelangt, der es entsprechend einem Pfeil 8 zu dem ebenfalls in Figur 3 nicht sichtbaren Schallwandler W22 (Figur 1) lenkt, der durch den Schallwandler W21 verdeckt wird.

Aus dem Vergleich der Figuren 2 und 3 wird deutlich, daß das Schallsignal der weiteren Meßstrecke (Figur 3) eine Drehbewegung ausführt, die entgegengesetzt ist zu derjenigen des ersten Schallsignals der einen Meßstrecke (Figur 2). Aus den mit beiden Meßstrecken ermittelten Schallaufzeiten kann ohne weiteres ein Meßwert der Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden, der frei von Dralleinflüssen ist. Die beiden Meßstrecken sind unabhängig voneinander betreibbar und ein wechselseitiges Übersprechen ist für die Meßgenauigkeit praktisch ohne Bedeutung.

Die in Figur 4 gezeigte Anordnung von Schallwandlern W31 und W32 sowie Reflektoren R31 und R32 der einen Meßstrecke zu weiteren Schallwandlern W41 und W42 einer weiteren Meßstrecke unterscheidet sich dahingehend von der in Figur 1 dargestellten Anordnung, daß die beiden Meßstrecken gegeneinander axial versetzt sind. Der Aufbau des Meßrohrs ist dadurch zwar weniger kompakt, erlaubt aber bei besserem Raumangebot für die Unterbringung der Schallwandler und Reflektoren die Reali-

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sierung komplett gleichartiger Schallführungen mit entgegengesetztem Drehsinn.

Entsprechend Figur 5 kann eine weitere Meßstrecke mit Schallwandlern W51 und W52 kürzer als eine Meßstrecke mit Schallwandlern W61 und W62 sowie diesen gegenüberliegenden Reflektoren R61 und R62 ausgeführt werden. Bei entsprechend angepaßter Berechnungsmethode ist auch mit dieser Art eines kompakten Aufbaus eine Drallkompensation der Strömungsgeschwindigkeitsmessung zu erreichen.

Figur 6 zeigt eine Meßstrecke mit Schallwandlern W71 und W72 sowie Reflektoren R71 und R72, die gegenüber einer weiteren Meßstrecke mit Schallwandlern W81 und W82 sowie Reflektoren R81 und R82 nur geringfügig axial versetzt ist. Zudem sind die Komponenten beider Meßstrecken auf übereinstimmenden Seiten eines Meßrohrs 9 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Wandler W71 und W81, die Wandler W72 und W82, die Reflektoren R71 und R81 sowie die Reflektoren R72 und R82 paarweise in Gehäusen 10, 11, 12 bzw. 13 zusammengefaßt. Ein Mehraufwand, der für die weitere Meßstrecke erforderlich ist, wird damit in bezug auf Gehäuse und Abdichtungen erheblich vermindert.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen wurden Meßrohre mit quadratischem Querschnitt und zwei Meßstrecken beschrieben. Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß die Erfindung alternativ auch bei anderen vieleckigen oder runden Meßrohren bzw. bei Meßrohren mit mehr als zwei Meßstrecken anwendbar ist.

Claims (6)

11 Schutzansprüche

1. Durchflußmeßgerät mit einem vom einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmten Meßrohr (1) mit einer Meßstrecke zur Messung der Laufzeit eines Schallsignals durch das Medium, die einen Schallwandler (WIl) zum Senden des Schallsignals in das Meßrohr (1) und einen in Strömungsrichtung von diesem beabstandeten Schallwandler (W12) zum Empfangen des durch das Medium übertragenen Schallsignals aufweist, wobei das Schallsignal derart im Medium geführt wird, daß es zumindest eine Reflexion an einer Wandung des Meßrohrs (1) erfährt und dabei eine Drehbewegung um die Meßrohrachse ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine weitere, von der einen Meßstrecke unabhängig betreibbare Meßstrecke vorhanden ist, die einen weiteren Schallwandler (W21) zum Senden eines weiteren Schallsignals in das Meßrohr (1) und einen weiteren Schallwandler (W22) zum Empfangen des durch das Medium übertragenen weiteren Schallsignals aufweist, wobei das weitere Schallsignal 0 derart im Medium geführt wird, daß es eine Drehbewegung um die Meßrohrachse ausführt, die entgegengesetzt zu derjenigen des ersten Schallsignals ist, und daß aus den Meßergebnissen auf der einen und der weiteren Meßstrecke ein Durchflußwert ermittelt wird.

2. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (WIl, W12) der einen und die Schallwandler (W21, W22) der weiteren Meßstrecke an benachbarten Seiten des Meßrohrs (1) angebracht sind.

3. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (WlI, W12) der einen

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und die Schallwandler (W21, W22) der weiteren Meßstrecke paarweise auf gleicher axialer Höhe angebracht sind.

4. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (W31, W32) der einen und die Schallwandler (W41, W42) der weiteren Meßstrecke axial gegeneinander versetzt angeordnet sind.

5. Durchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (WIl, W12, W21, W22) das Schallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung in das Meßrohr (1) einstrahlen und daß jeweils ein Reflektor (RIl, R12, R21) im Meßrohr (1) gegenüber den Schallwandlern (WIl, W12, W21, W22) angeordnet ist, dessen Flächennormale drei Komponenten in einem rechtwinkligen Koordinatensystem aufweist, dessen eine Achse parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist.

6. Durchflußmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Ansteuer- und Auswerteeinheit (2) für die Meßstrecken vorgesehen ist.