DE3239770C2

DE3239770C2 - Ultraschall-Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE3239770C2
Application number: DE3239770A
Authority: DE
Inventors: Niels Dipl.-Ing. Nordborg Abildgaard; Hans Erik Kiil Dipl.-Ing. Aabenraa Jensen; Steen Hedegaard Soenderbork Nielsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1982-10-27
Filing date: 1982-10-27
Publication date: 1984-11-22
Also published as: NL8303653A; JPH0311648B2; DK471383A; DK471383D0; GB2130370A; GB2130370B; DE3239770A1; GB8328568D0; BE898084A; US4545259A; SE8305267L; FR2540624A1; SE8305267D0; JPS5995425A

Abstract

Eine Ultraschall-Meßvorrichtung weist eine Meßstrecke (1) auf, die durch ein Meßrohr (4) führt. In diesem sind in axialem Abstand voneinander mindestens zwei Einbauteile (8a, 8b) angeordnet, die das Geschwindigkeitsprofil (A) des hindurchströmenden Mediums so beeinflussen und/oder den Weg für das wirksame Ultraschallsignal so festlegen, daß im überwiegenden Teil des Arbeitsbereichs die über den Weg des Ultraschallsignals gemittelte Strömungsgeschwindigkeit (Vun, Vuo) im wesentlichen nur von der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit (VM) abhängig ist. Dies erlaubt sehr genaue Meßergebnisse über einen Arbeitsbereich bei Reynold-Zahlen unter 10000.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf cine Uliruschall-Mcßvorrichtung mit einer /wischen zwei I llttascliallwandlcrn verlaufenden Mcßstrockc, die axial durch ein Meßrohr füiii'l. und mit mindestens zwei, dem Meßrohr zu geordneten Kinbautcilen. die das Gesehwindiykeilsprofil des hindurchströmende!! Mediums beeinflussen.

Hei einer bek;innlen Uhraschall-MeBvorrichlung dieser An (I)E-AS 27 30 770). die zur Messung der Suö- > tmingsgeschwindigkeil der Luft im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine dient, ist ein gerades Meßrohr mit rechteckigem Querschnitt zwischen zwei Ultraschallwandicrn angeordnet, die abwechselnd als Sender und Empfänger benutzt werden können. Durch Messung

ίο der Laufzeit der Ultraschall-Impulse kann man auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der hindurchströmenden Luft schließen. Der eingangsseitige Ultraschall-Wandler ist in einer Aufweitung des Kanals untergebracht und wird von einer Gruppe von Rippen umschlossen, die die Strönuingslinien der vorbeiströmenden and in die Meßstrecke eingeleiteten Luft ausrichten. Bei einer anderen bekannten Ultraschall-Meßvorrichtung (DE-AS 29 24 561), die zur Bestimmung der Durchflußmengc einer strömenden Flüssigkeit dient, ist ein gerades Meßrohr so angeordnet, daß zwischen den Stirnseiten und dem zugehörigen Ultraschallwandler ein Spalt verbleibt, über den die Flüssigkeit von allen Seilen her in das Meßrohr eintreten bzw. über den die Flüssigkeil nach allen Seilen hin aus dem Meßrohr austreten kann.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß innerhalb des durch unterschiedliche Reynold-Zahlen gekennzeichneten Arbeitsbereichs erhebliche Abweichungen des Meßergebnisses von den tatsächlichen Gegebenheiten auftreten.

Insbesondere ergeben sich bei kleinen Reynold-Zahlen, also hoher Viskosität und kleiner Durchflußgeschwindigkeit und damit kleiner Durchflußmenge, Abweichungen des gemessenen Wertes vom tatsächlichen Wert bis zu 20%, sofern die Meßvorrichtung für den Bereich großer Reynold-Zahlen justiert war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Mcßvorrichlung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die unabhängig von einer Änderung der Rcynold-Zahl über den gesamten Arbeitsbereich ziemlieh genaue Meßergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einbauteil im Meßrohr zwischen den Ullraschallwandlcrn mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind und das Geschwindigkeitsprofil so beein-

4¹; flüssen, daß im überwiegenden Teil des Arbeitsbereiches die über den Weg des wirksamen Ultraschallsignals gcmitlclte Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen nur von der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit abhangig ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß sich in einem Meßrohr ein Profil der axialen Geschwindigkeit des strömenden Mediums ausbildet, das im Bereich der Rohrachse ein Maximum und an der Innenfläche des Rohres ein Minimum hat. Die Verhältnisse von Maximum und Minimum ändern sich mit der Reynold-Zahl. Infolgedessen ist die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals nicht nur von der mittleren Geschwindigkeit des strömenden Mediums, sondern auch von der Form des Geschwindigkeitsprofils abhängig. Wenn man dagegen

M) erfindungsgemäß ausgestaltete Einbauteile im Meßrohr vorsieht, kann man korrigierend auf das Geschwindigkcitsprofil Einfluß nehmen. Beispielsweise kann das Geschwindigkeitsprofil des strömenden Mediums slrekkenweisc so vcrformt werden, daß axial hintereinander

ii^ri ein Maximum und ein /.wischcnminimum folgen, so daß das llliraschiillsignai. daß diese Abschnitte nacheinander durchläuft, eine gemitlelte Siromuiigsgeschwmdigkeit an/eigl, die kein ausgeprägtes Maximum mein be-

sitzl. Außerdem liegen die Einbauten im Weg des Ultraschallsignals, so daß nur ein bestimmter Teil dieses Signals wirksam wird, was ebenfalls Korrekturmöglichkeiten bietet.

Mit besonderem Vorteil weisen die Einb.uitcilc zumindest im Bereich der Mittelachse des Meßrohres eine Sperrfläche auf. Diese Sperrfläche setzt die Strömungsgeschwindigkeit in der Mittelachse herab. Das sich normalerweise in der Rohrachse ausbildende Geschwindigkeits-Maximum wird entsprechend reduziert Je größer das Maximum um so stärker auch die Redukticn.

Hierbei ist es empfehlenswert, daß Sperrflächenabschnitte freie Durchtrittsquerschnitte zwischen sich aufweisen, deren Abmessungen mit zunehmendem Radius größer werden. Auf diese Weise wird das Geschwindigkeitsprofil in der Mitte am stärksten und weiter nach außen hin weniger stark beeinträchtigt. Das Geschwindigkeitsprofil wird daher über den Querschnitt stark vergleichmäßigt.

Eine sehr einfache Ausführungsform ergibt: ich, wenn die Einbauteile mehrere vorzugsweise gleichmüßig im Winkel versetzte Anne als Sperrflüchenabschnilte aufweisen. Die Oreite der Arme kann konstant sein oder radial nach außen abnehmen. Diese Arme genügen zur Erzeugung der gewünschten Sperrwirkung, lassen aber einen ausreichenden Querschnitt für die Strömung frei.

Besonders günstig ist es, wenn vier um 90° versetzte Arme vorgesehen sind. Dies reicht zur Erzielung der gewünschten Meßgenauigkeit aus, wobei mehrere, z. B. sechs bis sieben solcher Einbauteile hintereinander vorgesehen werden sollten. Da die freien Querschnitte verhältnismäßig groß sind, ist die Dämpfung der Ultraschall-Signale und auch die Schmutzempfindlichkeit gering. Wenn mehr Arme verwendet werden, z. B. acht oder zehn Arme, kommt man mit einer geringeren Anzahl von Einbauteilen aus, muß aber eine etwas höhere Dämpfung und Schmutzempfindlichkeit in Kauf nehmen.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Einbaulcilc mindestens einen konzentrischen Ring als Spcrrflächcnabschnitt aufweisen.

Ein Ring am Außenumfang kann dafür sorgen, daß unmittelbar an der Rohrwandung verlaufende Ultraschallwellen nicht zum wirksamen Meßsignal gehören. Mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Ringe lassen zwischen sich nach außen hin größer werdende Ringspaltabschnitte frei.

Es empfiehlt sich, die Wandstärke der Einbauteil sehr klein im Vergleich zur Länge der Meßstrecke zu halten. Damit wird erreicht, daß Ultraschallwellen, die über die Einbauteile und daher schneller als durch das strömende Medium übertragen werden, keinen merklichen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Einbauteile gewölbte Oberflächen haben. Die reflektierten Ultraschallwellen werden dann nicht achsparallel hin- und hergeworfen, sondern nach außen gelenkt, so daß sic den Empfänger nicht oder nur in slark geschwächtem M₁Uk' erreichen.

In weiterer Ausgestaltung isl dafür gesorgt, daß jeweils ein Einbauteil einen Absland vom vorangehenden Einbauteil hat, der höchstens gleich der Entwicklungshilfe des (iesehwindigkeilspnifils ist. Das vordem Einbauteil entstandene Maximum wird durch die hinter dem Embauieil vorherrschenden lorm des Gcsehwindigkeitsprofils kompensier¹, so daß in Axialriehtung gesehen ein gleichmäßiger Mittelwert der Geschwindigkeit des strömenden Mcdii'ms auftritt.

Die Erfindung ist nachstehend anband in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ultraschall-Meßvorrichtung in schemati- -j scher Darstellung,

F i g. 2 in vergrößerter Darstellung einen Tcillängsschnilt durch das Meßrohr,

Fig.3 einen Querschnitt durch das Meßrohr der Fig. 2,
ίο F i g. 4 eine abgewandelte Foim von Einbauteilen,

Fig.5 einen Querschnitt durch das Einbauteil der Fig. 4,

F i g. 6 eine weitere Form eines Einbauteils und

F i g. 7 noch eine andere Form eines Einbauteils.
In Fig. 1 ist eine Meßstrecke 1 von einer Länge s veranschaulicht, die sich zwischen einem ersten Ultraschallwandler 2 und einem zweiten Ultraschallwandler 3 erstreckt und durch ein Meßrohr 4 verläuft. Ober einen Zuflußstut/.cn 5 wird ein strömendes Medium in Richlung des Pfeiles 6 zugeführt und nach Durchströmen der Mcßstrccke I über einen Abflußstutzen 7 abgeführt. Im Meßrohr 4 befinden sich Einbauteile 8 die nachstehend noch näher erläutert werden. Im Betrieb werden die Ultraschallwandler 2 und 3 abwechselnd als Sender und Empfänger benutzt.

Eine Auswcrtcschaltung 9 ermittelt die Laufzeit eines Ultraschallsignals über die Meßstrecke 1 und aus dieser Laufzeit die jeweilige Geschwindigkeit des Ultraschallsignals.

Bekanntlich hat ein stromabwärts gehendes Ultraschallsignal eine Geschwindigkeit

V_11n = C + V_M

Dagegen hat ein stromaufwärts gehendes Ultraschallsignal eine Geschwindigkeit

V₁₁,,= C- V_M

wobei C die Schallgeschwindigkeit im Medium beim Stillstand und V_M die über den Querschnitt gemiuelte Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist. Durch Differenzbildung der beiden Gleichungen erhält man

Vu =

V-V

~ un 'Ur

also die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, unabhängig von der Schallgeschwindigkeit.

Wenn man voraussetzt, daß das Geschwindigkeitsprofil der Strömung über die Meßstrecke konstant ist.

ergibt sich eine Proportionalität zwischen der Volumenströmung Q und der mittleren Geschwindigkeit Vm-Wenn aber das Geschwindigkeitsprofil der Strömung Änderungen unterworfen ist, sei es, daß es sich zu Beginn der Meßstrecke erst entwickeln muß, sei es daß es seine Form in Abhängigkeit von der Reynold-Zahl, also auch mit der Durchflußmenge, ändert, was bei Reynold-Zahlcn unter 10 000 der Fall ist. weicht das Meßergebnis für die Strömungsgeschwindigkeit und jede davon abgclcilele Größe, wie die Durchflußmcnge, in Teilen des

w) Meßbereichs erheblich von der tatsächlichen Größe ab. Dies wird durch die Einbaulcilc 8 kompensiert.

In I·'i g. 2 ist ein Abschnitt des Mcßrohrcs 4 veranschaulicht, dessen Innenfläche (0 rauh ist oder einen inneren Dämpfungsbeiag 10 trügt und zwei Einbauteile

·γ> 8.7 und 8/? aufweist. Die Einbauteile haben, wie I i g. 3 zeigt, die lorm eines Sterns 11 mit vier Armen 12, deren Breite radial nach außen hin abnimmt. An der Vereinigiingsstellc der Sterne ergibt sich ein Sperrflächenab-

schnitt 13 im Bereich der Rohrachse. Zwischen den Armen verbleiben freie Durchtrittsquersehnitte 14, deren Abmessungen mit zunehmendem Radius größer werden.

Wenn eine Menge Q in Richtung des Pfeiles 6 bei ο einer Reynold-Zahl unter 10 000 über ein gewisses Stück im Meßrohr geströmt ist, ergibt sich wegen der Reibung am Rande und der fehlenden Turbulenz, ein Geschv'indigkeitsprofil A, das im Bereich der Rohrachse sein Maximum hat. Dies entspricht einer über den ι ο Rohrquerschnitt gemitteilen Geschwindigkeit Vm. Aufgrund des Einbauteils 8;i, das im Bereich der Rohrachsen ein erhebliches Hindernis darstellt ergibt sieh dahinter ein Geschwindigkeiisprofil B. das ein radial nach außen verschobenes, verringertes Maximum im Bereich I¹S der Rohrachse dagegen ein Zwischenminimum hat. Diese Geschwindigkeitsprofil entwickelt sich über die Form C wieder bis zu einem Geschwindigkeitsprofil A', das dem Profil A entspricht. Durch das zweite Einbauteil Sb, das in einem Abstand, der höchstens gleich der Entwicklungslänge dieses Profils bei lamincrer Strömung sein sollte, von dem Einbauteil 8a angeordnet ist, ergibt sich wiederum ein Profil B', das dem Profil B entspricht. Die vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallwellen verlaufen im wesentlichen in einem begrenzten Querschnittsbereich Fund werden daher nacheinander durch unterschiedliche Geschwindigkeiten, je nach dem jeweiligen Geschwindigkeitsprofil, beeinflußt. Die in Axialrichtung gemitleltc Strömungsgeschwindigkeit ist unabhängig von der jeweiligen Reynold-Zahl konstant, weil so sich die Maxima und die Minima im Bereich der Rohrachse gegenseitig kompensieren. Daher spielt die Form der Geschwindigkeitsprofile im Meßbereich keine maßgebliche Rolle mehr. Darüber hinaus ist der Mittelbereich auf Grund der Sperrflächenabschnitte 13 für die s^r> Ultraschallwellen undurchdringlich. Die stärksten Veränderungen, die im Bereich der Rohrachse auftreten, brauchen daher nicht kompensiert zu werden, da sie nicht durch ein wirksames Ultraschallsignal erfaßt werden. Mit Hilfe der Einbauteile werden auch asymmetrisehe Profilentwicklungen, wie sie am Eingang des Meßrohres wegen der rechtwinkligen Zuführung möglich sind, rascher abgebaut, so daß über den größten Teil des Meßrohres die in Fig. 2 veranschaulichten symmetrischen Verhältnisse gegeben sind. Günstig ist es, wenn 4^ri wie in Fi g. 1 und 2 gesetzt der Rohrquerschnitt größer ist als die Stirnfläche der Wandler 2 und 3. Es kann aber auch ein Rohr mil kleinerem Querschnitt als die Wandler verwendet werden.

Obwohl die Erfindung anhand eines kreisrunden Roh- ".o res beschrieben ist, lassen sich entsprechende Resultate auch bei Rohren mit anderen Querschnitten z. B. Rechleckquerschnitt, erzielen.

Die Einbauteile 8c und 8d in F i g. 4 und 5 bestehen aus Kreuzen 15 mit jeweils vier Armen 16, deren Breite konstant ist. Aufeinanderfolgende Einbauteile sind um 45° gegeneinander gedreht In der axialen Projektion bleiben daher ausreichend große sperrflächenfreie Querschnitte. Da die Einbauteile 8c auf beiden Seiten eine gewölbte Oberfläche 17 bzw. 18 aufweisen, werden bo auf Sperrflächenabschnitte auftreffende Ultraschallwellen in einem Winkel zur Rohrachse reflektiert. Sie gelangen an den Dämpfungsbelag 10 und sind daher unschädlich.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 hat ein Einbau- h5 teil 8c die Form eines Sterns 19 mit acht Armen 20. Dies erlaubt es, mit einer geringeren Zahl von F.inbauteilen im Meßrohr auszukommen, ergibt aber eine etwas höhere Dämpfung und Schmutzempfindlichkeit als bei den zuvor beschriebenen Ausfiihrungsbeispielcn.

In F i g. 7 ist ein Einbauteil ^veranschaulicht, das als Sperrflächenabschnitte drei konzentrische Ringe 21, 22 und 23 aufweist, die durch zwei Radialanne 24 miteinander verbunden sind. Hier ergeben sich freie Durchiritisquerschnitte 25, die radial nach außen zunehmende Ab mussungen haben.

In allen Ausführungsbeispielen ist die Wandstärke il der llinbauicile 8 sehr klein im Vergleich /ur Lange .v der Meßstrecke 1. Kino Wandstärke 1/ = 0.3 bis 1 mm ist empfehlenswert.

Versuche haben gezeigt, daß man auf diese Weise innerhalb eines großen Arbeitsbereiches, der Reynuld-Zahlen von 500 bis 10 000 abdeckt, einen Meßwert erhalten kann, der dem tatsächlichen Wert sehr genau entspricht wobei selbst bei sehr kleinen Reynold-Zahlen Abweichungen von nicht mehr als 1 bis 2% auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Meßvorrichtung mil einer zwischen zwei Ultraschallwandicrn verlaufenden Meßstrecke, die axial durch ein Meßrohr Cührt, und mit mindestens zwei, dem Meßrohr zugeordneten Einbauteilen, die das Geschwindigkeitsprofil des hindurchströmenden Mediums beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile (8) im Meßrohr (4) zwischen den Ultraschallwandlern (2,3) mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind und das Geschwindigkeitsprofil (A) so beeinflussen, daß im überwiegenden Teil des Arbeitsbereiches die über den Weg des wirksamen Ultraschalisigi>als gemi ttehe Strömungsgeschwindigkeit (V,„_h V₁₁₁₁) im wesentlichen nur von der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit (V_M) abhängig ist.

2. Ultraschall-Meßvorrichiung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbautcile (8a— Sc) zumindest im Bereich der Mittelachse des Meßrohrs (4) eine Sperrfläche (13) aufweisen.

3. Ullraschall-Mcßvorrichlung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß Spcrrflächenabschnitte freie Durchtrittsquerschniuc (14; 25) zwischen sich aufweisen, deren Abmessungen mit zunehmenden Radius größer werden.

4. Ultraschall-Mcßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile (8a—8e^ mehrere im Winkel versetzte Arme (12; 16; 20) als Sperrflächenabschnitte aufweisen.

5. Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Arme (16; 20) konstant ist.

6. Ultraschall-Mcßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Arme (12) radial nach außen abnimmt.

7. Ultraschall-Mcßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier um 90° versetzte Armc (8.J, 8c. 8c/,) vorgesehen sind.

8. Ultraschall-Meßvoirichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme aufeinanderfolgender Einbauteile (8c, Sd) um weniger als den Winkelabstand der Arme (16) gegeneinander versetzt sind.

9. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile (Sf) mindestens einen konzentrischen Ring (21,22,23) als Sperrflächenabschnitt aufweisen.

10. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d)dcr Einbauteile (8cjsehr klein ist im Vergleich zur Längender Meßstrecke(1).

I I.Ultraschall-Meßvorrichtungnacheinemder Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile(8c^gewölbteOberflächen(17,18)haben.

12. Ultraschall-Meßvorrichiung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 !,dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Einbauteil (86,) einen Abstand vom vorangehenden Ein bau teil (Sa) hat, der höchstens gleich der EntwicklungsiängcdesGeschwindigkeilsprofilsisl.