DE29803912U1

DE29803912U1 - Durchflußmesser

Info

Publication number: DE29803912U1
Application number: DE29803912U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2008-03-06

Description

GR 98 G 4408 DE

Beschreibung
Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 43 36 370 ist bereits"ein Durchflußmesser bekannt, bei welchem ein gasförmiges oder flüssiges Medium, dessen Volumenstrom zu messen ist, durch ein Meßrohr geleitet ' wird. An der Wandung des Meßrohrs sind ein Sende- und ein Empfangswandler in axialem Abstand zueinander angebracht. Der Sendewandler strahlt ein impulsförmiges Schallsignal in das Medium aus, das um die Laufzeit durch das Medium verzögert mit dem Empfangswandler detektiert wird. Dabei führt eine Strömung des Mediums in Schallausbreitungsrichtung zu einer Verkürzung der gemessenen Laufzeit. Anschließend wird die Betriebsart der Wandler umgeschaltet, so daß der Wandler, der zuvor als Empfangswandler betrieben wurde, nun als Sendewandler arbeitet und umgekehrt. Auch in dieser Betriebsart wird die Laufzeit des Schallsignals gemessen. Die Differenz der beiden gemessenen Laufzeiten stromauf und stromab liefert ein Maß für den Volumenstrom im Meßrohr.

Bei derartigen Durchflußmessern besteht das Problem, daß die gemessenen Laufzeiten nicht nur vom Durchfluß, sondern auch vom jeweiligen Strömungsprofil im Meßrohr und der Art des durchströmenden Mediums abhängen. Je nach Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit ergeben sich verschiedene Strömungsprofile. Bei langsamer Strömungsgeschwindigkeit stellt sich über dem Querschnitt des Meßrohrs ein laminares Strömungsprofil ein, das durch eine parabolische Form beschrieben werden kann. Die höchste Strömungsgeschwindigkeit tritt dabei in der Rohrmitte auf, zur Wandung hin wird dagegen die Strömungsgeschwindigkeit geringer. Je größer der Volumenfluß im

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Meßrohr, d. h. je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto mehr nähert sich das Strömungsprofil einer Kastenform. In einem größeren, inneren Bereich des Rohrquerschnitts ist die Strömungsgeschwindigkeit etwa gleich und fällt erst in der Nähe der Meßrohrwandung stark ab. Dieses Strömungsprofil wird als turbulent bezeichnet.

Beschallt man nun mit einem Schallwandler das in dem Meßrohr strömende Medium, um aus den gemessenen Schallaufzeiten den Volumenstrom zu bestimmen, so wird die in der Mitte des Meßrohrs auftretende höchste Strömungsgeschwindigkeit stärker bewertet als die am Rand des Strömungskanals auftretende niedrigere Strömungsgeschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß sich für jedes Strömungsprofil und jedes Fluid eine eigene Meßkennlinie ergibt, was zu einer aufwendigen Auswerteeinheit führt. Zur Verminderung der Beeinflussung des Meßergebnisses durch das jeweils vorliegende Strömungsprofil wird in der bereits genannten DE-PS 43 36 370 vorgeschlagen, das Schallsignal mit mehreren Reflexionen an der Meßrohrwandung spiralförmig durch das Meßrohr zu führen. Das bewirkt eine stärkere Bewertung der Bereiche des Meßrohrquerschnitts, die etwa in der Mitte zwischen der Meßrohrachse und der Meßrohrwand liegen. Somit wird ein Mittelwert zwischen den hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Meßrohrmitte und den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Meßrohrwand erreicht. Nachteilig dabei ist jedoch die Abschwächung des Schallsignals durch die mehrfache Reflexion an der Meßrohrwandung. Aufgrund der spiralförmigen Schallführung läuft zudem das Schallsignal auf seinem Weg zwischen Sende- und Empfangswandler um die Meßrohrachse herum. Eine Drallbewegung des durch das Meßrohr strömenden Mediums verändert daher das Meßsignal und führt zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser mit verbesserten Meßeigenschaften zu schaffen.

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

Die Erfindung hat den Vorteil, daß mit einem geringen Aufwand eine verbesserte Intensität des Empfangssignals erreicht wird. Für die Abtastung des Strömungsprofils in nur einer Ebene sind weniger Reflexionen an der Meßrohrwandung erforderlich, die eine Abschwächung des Schallsignals verursachen. Dabei ist das Meßergebnis ebenso wie bei einem aufwendigeren, spiralförmigen Strahlverlauf im Meßrohr weitgehend unabhängig vom vorherrschenden Strömungsprofil.

Ein schräg durch das Meßrohr in einem Abstand an der Meßrohrachse vorbei verlaufender Meßpfad bedeutet, daß die Ausbreitungsrichtung des Schalls an jeder Stelle auch eine tangentiale Komponente aufweist. Das Schallsignal führt somit eine Drehbewegung um die Meßrohrachse aus. Bei drallbehafteter Strömung des Mediums im Meßrohr wird die Laufzeit des Schallsignals durch den Drall verändert und das Meßergebnis verfälscht. Der Einfluß des Dralls kann in einfacher Weise vermindert werden, indem der Meßpfad über einen Reflektor an der Meßrohrwand geführt wird, derart, daß die Ausbreitungsrichtung des Schallsignals bei der Reflexion die Drehrichtung um die Meßrohrachse umkehrt. Eine durch den Drall verursachte Laufzeitänderung wird bei umgekehrter Drehrichtung wieder kompensiert.

Eine vollständige Eliminierung von Dralleinflüssen wird erreicht, wenn Sende- und Empfangswandler lediglich axial am Meßrohr versetzt angebracht sind und der Weg des Schallsignals nicht die Meßrohrachse einschließt. Bei einer Betrachtung des gesamten Schallwegs werden in diesem Fall sämtliche Drehungen des Schallsignals um die Meßrohrachse

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wieder rückgängig gemacht, so daß Drallbewegungen des Mediums den Meßwert praktisch nicht verfälschen.

Für verschiedene Strömungsprofile wird eine gute Annäherung des Meßergebnisses an den tatsächlichen Volumenstrom erzielt, wenn der Mindestabstand zwischen dem Zentrum des Meßpfades und der Meßrohrachse etwa gleich dem halben Meßrohrradius ist.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Quer- bzw. einen Längsschnitt durch ein Meßrohr.

In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein als Sendewandler betriebener Ultraschallwandler 1 beschallt gemäß den Figuren 1 und 2 ein in einem Meßrohr 2 strömendes Medium 3 quer zu seiner Strömungsrichtung 4. Auf einem Weg 5 eines Schallsignals wird die Laufzeit des Schalls lediglich durch einen Drall 6 des strömenden Mediums beeinflußt. An einer etwa gegenüberliegenden Stelle der Meßrohrwand trifft das Schallsignal auf einen Reflektor 7, der auf gleicher axialer Höhe wie der Ultraschallwandler 1 angeordnet ist. Durch den Reflektor 7 wird das Schallsignal zu einem Reflektor 8 in eine Richtung umgelenkt, die in einem zylindrisehen Koordinatensystem mit einer Meßrohrachse 9 als Z-Achse sowohl eine axiale als auch eine tangentiale Komponente aufweist. Auf einem Weg 10 zum Reflektor 8 wird die Laufzeit somit in Abhängigkeit der axialen Strömung 4 sowie des Dralls 6 des Mediums 3 verändert. Die Reflexionsebene des Reflektors 8 ist parallel zur Meßrohrachse derart ausgerichtet, daß die

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Richtung des Schallsignals bei der Reflexion die axiale Komponente beibehält, das Vorzeichen der tangentialen und radialen Komponente jedoch umgekehrt wird. Nach dem Reflektor 8 gelangt das Schallsignal entlang eines Weges 11 zu einem Reflektor 12, der axial versetzt zu dem Reflektor 7 angeordnet ist. Die Wege 10 und 11 des Schalls zwischen den Reflektoren 7 und 12 stellen den eigentlichen Meßpfad dar. Er verläuft im wesentlichen in einer einzigen, zur Meßrohrachse 9 parallelen Ebene. Der Reflektor 12 wirft das Schallsignal quer zur Strömungsrichtung 4 des Mediums 3 auf einen Ultraschallwandler 13, der auf gleicher axialer Höhe angebracht ist. Dabei durchläuft das Schallsignal einen Weg 14 mit einer Richtung, die derjenigen auf dem Weg 5 entgegengesetzt ist.

Anhand Figur 1 ist gut erkennbar, daß es aufgrund der Symmetrieeigenschaft des vorherrschenden Strömungsprofils bereits ausreicht, das Strömungsprofil in einer einzigen, zur Meßrohrachse 9 parallelen Ebene abzutasten. Diese Ebene wird durch die Schallwege 10 und 11 aufgespannt. Es ist nicht erforderlich, mit einem spiralförmigen Verlauf des Schallsignals, wie er durch ein gestrichelt eingezeichnetes Dreieck 15 in Figur 1 dargestellt ist, das Strömungsprofil in weiteren Ebenen abzutasten, da dort wegen der Symmetrie des Strömungsprofils eine Querschnittsfläche mit gleicher Strömung erfaßt wird. Für die Messung in nur einer zur Meßrohrachse parallelen Ebene genügt in vorteilhafter Weise bereits eine geringere Anzahl von Reflexionen. Da jede Reflexion die Intensität des Schallsignals verringert, liefert der jeweils als Empfangswandler betriebene Ultraschallwandler 1 oder 13 ein stärkeres Meßsignal. Die Unempfindlichkeit der Meßanordnung gegenüber Störsignalen wird somit verbessert.

Zudem würde bei einer Abtastung des Strömungsprofils entlang des Dreiecks 15 der Drall 6 das Meßergebnis des Volumenstroms verfälschen, da er die Laufzeit des Schallsignals verändern

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würde. Durch die Wege 5, 10, 11 und 14 des Schallsignals wird dagegen in der in Figur 1 dargestellten Projektion auf die Querschnittsfläche des Meßrohrs 2 die Meßrohrachse 9 nicht eingeschlossen. Weiterhin sind die Wandler 1 und 13 axial hintereinander angeordnet. Daraus resultiert, daß das Schallsignal im Meßrohr 2 keinerlei Drehbewegung um die Meßrohrachse 9 ausführt und der Drall 6 das Meßergebnis praktisch nicht beeinflußt.

Prinzipiell könnten auch an den Einbauorten der Reflektoren und 12 Ultraschallwandler montiert werden, so daß auch diese beiden Reflexionen im Schallweg entfallen. Da Schallwandler normalerweise mit einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehenden Abstrahlfläche senden oder empfangen und da die Ausbreitungsrichtung des Schallsignals auf den Wegen 10 und 11 eine geringe Neigung zur Strömungsrichtung 4 des Mediums aufweist, könnten durch den Wandlereinbau Störungen der Strömung entstehen. Diese Störungen werden verringert, indem beispielsweise der Sendewandler 1 senkrecht zur Strömungsrichtung in das Medium 3 einstrahlt und auf der im wesentlichen gegenüberliegenden Seite der Reflektor 7 angeordnet wird, der das Schallsignal in die gewünschte Ausbreitungsrichtung umlenkt. Durch die weniger geneigte Reflektorfläche sind die Störungen der Strömung an der Einbaustelle des Reflektors vergleichsweise geringer. Das Gesagte gilt entsprechend für die Anordnung des Reflektors 12 und des Wandlers 13.

Die Erfindung wurde anhand eines Meßrohrs mit rundem Querschnitt als Ausführungsbeispiel erläutert. Sie ist aber ohne weiteres auch auf Meßrohre mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise ovalen oder vieleckigen, anwendbar.

Claims

GR 98 G 4408 DE Schutzansprüche

1. Durchflußmesser mit einem von einem gasförmigen oder flüssigen Medium (3) durchströmten Meßrohr (2), einem das Medium (3) beschallenden Sendewandler (1) und einem in Strömungsrichtung versetzt zu diesem angeordneten Empfangswandler (13) für das durch das Medium übertragene Schallsignal, wobei das Schallsignal auf einem Meßpfad (10, 11) in einem Abstand an der Meßrohrachse (9) vorbeigeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpfad im wesentlichen in einer einzigen, zur Meßrohrachse (9) parallelen Ebene verläuft.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Meßpfad (10, 11) über einen Reflektor (8) an oder in der Meßrohrwand geführt ist, derart, daß die Ausbreitungsrichtung des Schallsignals bei der Reflexion die Drehrichtung um die Meßrohrachse (9) umkehrt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Querschnittsfläche des Meßrohrs (2) projizierte Einbauplatz des Sendewandlers (1) und des Empfangswandlers (13) im wesentlichen gleich ist und daß der auf die Querschnittsfläche des Meßrohrs (2) projizierte Weg (5, 10, 11, 14) des Schallsignals nicht die Meßrohrachse (9) einschließt.

4. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Meßpfad (10, 11) und Meßrohrachse (9) etwa gleich dem halben Meßrohrradius ist.