DE4118809C2 - Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Ultraschall-Doppler-Strömungsmeßvorrichtungen sind bekannt (deutsche Zeitschrift "msr", Berlin, Jahrgang 31, (1988), Seiten 232-234, britische Zeitschrift Medical and Biological Engineering", Januar 1975, Seiten 59-64, US-PS 3 858 446). Dabei werden Meßrohre mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet, wobei zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung über dem Querschnitt relativ breite Sende- und Empfangsschallwandler benötigt werden. Die mit den bekannten Vorrichtungen erhaltenen Differenzfrequenz- oder Doppler-Signale weisen jedoch eine geringe Höhe und große Breite auf, also ein ungünstiges Nutz-/Stör-Signal-Verhältnis, so daß die Meßgenauigkeit unbefriedigend ist.

Um schärfere Meßsignale zu erhalten, wird nach der US-PS 4 413 531 das aus dem Mischer kommende Doppler-Signal mit einer relativ aufwendigen Schaltanordnung optimiert.

Nach EP 0 273 385 A1 kommen Sendeschallwandler zum Einsatz, die einen Ultraschallstrahl bilden, der wesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Meßrohres ist. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit nur im Bereich des feinen Ultraschallstrahls bestimmt, nicht aber über einen größeren Querschnitt. Infolgedessen ist die bekannte Anordnung zumindest bei einem Rohr mit kleinem Innenquerschnitt, wo die Reibung der Strömung an der Rohrinnenwand eine vergleichsweise große Rolle spielt, für Durchflußmessungen ungeeignet. Weiterhin ist nach EP 0 273 385 A1 der Meßkanal rechteckig ausgebildet. Bei einem rechteckigen Meßkanal ist jedoch die Strömungsgeschwindigkeit durch die hohe Reibung in den Ecken besonders stark herabgesetzt, wodurch breite Doppler-Meßsignale erhalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschall-Doppler- Meßvorrichtung für kleine Flüssigkeits- und Partikelströme in einem Meßrohr mit kleinem Innenquerschnitt bereitzustellen, welche ohne apparativen Mehraufwand scharfe Doppler-Meßsignale liefert, und zwar auch von Partikeln, wenn sich diese hinsichtlich ihrer akustischen Ultraschall-Impedanz nur geringfügig vom Trägermedium unterscheiden.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In dem Unteranspruch ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wiedergegeben.

Das heißt, der plättchenförmige Sendeschallwandler und der plättchen­ förmige Empfangsschallwandler liegen jeweils planparallel auf einer ebenen Fläche an der Außenwand des Meßrohres auf, wobei diese Flächen in Strömungsrichtung von innen nach außen oder von außen nach innen verlaufen, und zwar mit einem Winkel, der dem Einstrahlwinkel der Leitfrequenz des Sendeschallwandlers in oder gegen die Strömungsrichtung entspricht. Diese kleinen ebenen Flächen werden vorzugsweise jeweils durch die Flanke einer Nut gebildet, die durch eine Einkerbung in die Außenseite des Meß­ rohres an den entsprechenden Stellen über den Umfang des Meßroh­ res hervorgebracht wird.

Erfindungsgemäß ist nun durch den ovalen Querschnitt des Meßrohres die Innenwand des Rohres an dem der jeweiligen ebenen Fläche der Außenwand zugewandten Bereich eben­ falls als ebene, zur Rohrlängsachse parallele Fläche, ausgebil­ det, also nicht kreisförmig, wie nach dem Stand der Technik.

Ein kreisförmiger Innenquerschnitt des Meßrohres führt nämlich zu einer Streuung des gebündelten Ultraschallstrahls, und damit zu einem breiten flachen Doppler-Signal-Peak, also zu einem schlechten Nutz-/Störsignal-Verhältnis. Dies liegt darin begrün­ det, daß der Weg des Schallstrahls von der ebenen Fläche an der der Rohraußenseite, auf der der plättchenförmige Sendeschallwandler aufliegt, durch die Rohrwand hindurch aufgrund der Krümmung der kreisförmigen Rohrinnenwand unterschiedlich lang ist. Gleiches gilt für den Weg des Schallstrahls durch die Rohrwand zu der ebenen Fläche, auf der der plättchenförmige Empfangsschallwandler aufliegt. Zugleich ist dadurch die Laufzeit der Schallstrah­ len unterschiedlich groß, was eine unterschiedliche Dämpfung des Schallstrahles beim Durchtritt durch die Rohrwand bedingt, neben unterschiedlichen Phasendrehungen.

Das heißt, bei einem kreisförmigen Innenquerschnitt des Meßrohres kommt es zu unterschiedlichen Dämpfungen und Brechungen des einzelnen Schallstrahls, d. h. einer Zerstreuung der Schallkeule, die damit schlechter ausgewertet werden kann. Dieses Problem verstärkt sich noch dadurch, daß die Schallfeldgeometrie mangels Leistungsabgabe beim Sender und geringer Empfindlichkeit beim Empfänger-Sensorelement größer als konstruktiv erforderlich ausgeführt werden muß.

Die ebene Fläche an der Rohrinnenwand, die der ebenen Fläche an der Rohraußenwand mit dem plättchenförmigen Sendeschallwandler bzw. Empfangsschallwandler gegenüberliegt, wird erfindungsgemäß durch einen ovalen Querschnitt des Rohres mit einander gegenüberliegenden ebenen Innenflächen gebildet, also einen Innenquerschnitt aus zwei Halbzylindern mit ebenen, parallelen Flächen dazwischen.

Der Doppler-Effekt in Flüssigkeiten und anderen Fluiden beruht darauf, daß Teilchen in einem Fluid in einem gebündelten Schall­ strahl aufgrund ihrer Relativbewegung zwischen Sender und Emp­ fänger eine Frequenzverschiebung (die Doppler-Frequenz) nach Reflexion (Echo) erzeugen. In einem Rohr mit geringem Innen­ durchmesser bewegen sich die Teilchen in dem Flüssigkeitsstrom jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Demgemäß wird das Doppler-Meßsignal aus vielen verschiedenen Differenzfrequenzen gebildet, so daß ein relativ breites, niedriges Meßsignal mit einem entsprechend niedrigen Nutz-/Störsignal-Verhältnis ent­ steht.

Einen Grund für die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Partikel bildet die Reibung der Trägerflüssigkeit an der Rohrwand. Bei einem rechteckigen Querschnitt des Rohres wird z. B. in den rechtwinkligen Ecken die Strömungsgeschwindigkeit besonders stark herabgesetzt.

Die ebenen Flächen an der Außenseite des Rohres, auf denen der Sendeschallwandler bzw. Empfangsschallwandler aufliegt, ist entsprechend dem Einstrahlwinkel der Leitfrequenz des Sende­ schallwandlers gegenüber der Rohrlängsachse geneigt. Wie sich herausgestellt hat, ist es vorteilhaft, den Einstrahlwinkel in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Meßrohres, d. h. dem Abstand der einander gegenüberliegenden ebenen Flächen an der Rohrinnenwand zu ändern. D.h., es ist vorteilhaft folgende Bedingung einzustellen:

worin n der Abstand der beiden sich gegenüberliegenden ebenen Flächen der Rohrinnenwand in Millimeter bedeutet.

Diese Bedingung stützt sich auf Versuche, die folgende optimalen Einstrahlwinkel in Abhängigkeit vom Abstand dieser beiden Flä­ chen voneinander ergeben haben: ca. 50° bei 1 mm, ca 40° bei 3 mm, ca. 30° bei 6 mm und ca. 25 bis 30° bei 8 mm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf den verschiedensten Gebieten zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme eingesetzt werden.

Während reines Wasser nur ein sehr schwaches spezifisches Dopp­ ler-Frequenz-Linienspektrum abgibt, löst ein einziges Teilchen ein einziges kurzes, aber starkes Signal und damit einen Impuls aus. Damit können einerseits Partikel in großer Zahl bestimmt werden, die dann bei regelmäßiger Koinzidenz ein gleichförmiges Meß- und Impulssignal abgeben und andererseits nur eine ver­ schwindend geringe Anzahl von Feststoffpartikeln, die sich gegenüber dem fließenden Medium hinsichtlich ihrer Schallimpe­ danz abheben.

Im Gegensatz zur Bestimmung von Feststoffpartikeln in Flüssig­ keiten mit stark unterschiedlicher Impedanz steht die Bestimmung einer Abgabemenge von Klebstoff und Öl. Hier ist das strömende Medium nicht von Feststoffpartikeln durchsetzt, sondern von großen Molekülen, die unter der Voraussetzung einer gleichmäßi­ gen Verteilung ein gleichmäßiges Doppler-Liniensignal allerdings mit geringer Amplitude liefern.

Das Meßrohr besteht aus einem Material, das einen E-Modul von mehr als 2500 M Pa aufweist und an der Innenwand eine Oberflä­ chenenergie von weniger als 200 mN/m besitzt. Dieses Material kann beispielsweise Polyoxymethylen, Polyvinylchlorid, Polyme­ thylmethacrylat, Areylmethylmethacrylat, Polysulfon, Polyacetal­ harz, Polyethylentherephthalat, Polycarbonat, Epoxy-Harz, Poly­ etherimid, Polyetheretherketon, Polyamidimid oder Polyimid sein, ferner Polypropylen, Polyethylen oder ein Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-Polymeres wie PTFE, PVDF oder FEP, wel­ ches mit einem Füllstoff aus einem Material mit einem E-Modul von mehr als 2500 M Pa und einer Teilchengröße versetzt ist, wobei die Teilchengröße K des Füllstoffes in µm folgender Bedin­ gung entspricht:

wobei f die Frequenz des Ultraschalls in MHz ist. Auch kann das Rohr aus einem Material bestehen, das einen E-Modul von mehr als 2500 M Pa aufweist, jedoch eine Oberflächenenergie von mehr als 200 mN/m, sofern es mit einer Innenauskleidung versehen ist, die aus einem Material besteht, das eine Oberflächenenergie von weniger als 100 mN/m besitzt, beispielsweise einem Fluor­ kohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-Polymeren mit einer geringen Schichtdicke von beispielsweise höchstens 0,3 mm.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, die derzeit schlechte Meßgenauigkeit von ±20% auf ca. ±1% zu erhöhen. Bisher nicht erfaßbare Meßstoffe können erfindungsgemäß genau gemessen werden.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Meßrohr mit einem Block-Schaltbild der Ultraschall-Doppler-Meßvor­ richtung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Meßrohr entlang der Linie II-II nach Fig. 1 in vergrößerter Wieder­ gabe.

Gemäß Fig. 1 strömt durch ein Rohr 1 eine partikelfreie oder fast partikelfreie Flüssigkeit oder flüssige Aufschlämmung in Richtung des Pfeiles 2. Ein HF-Oszillator 3 mit einer Sendefre­ quenz von z. B. 1 bis 20 MHz liefert eine Ultraschall-Sendefre­ quenz, die von einem Verstärker 4 verstärkt und einem Sende­ schallwandler 5 zugeführt wird.

Der Sendeschallwandler 5 besteht aus einem plättchenförmigen piezoelektrischen Geber, der beispielsweise quadratisch und z. B. 4×4 mm groß sein kann, oder eine Kreisform mit einem Durch­ messer von z. B. 3 mm oder eine Halbkreisform besitzt. Zum Beispiel besteht der Sendeschallwandler 5 aus einem piezoelektrischen Kristall oder Kunststoffplättchen, welches unten und oben mit einer Elektrode beschichtet ist. Wenn ein elektrisch leitfähiger z. B. mit Silber gefüllter Acrylatkleber zur Befestigung des Sendeschallwandlers 5 verwen­ det wird, kann die untere Elektrode fehlen.

Der Sendeschallwandler 5 ist an die schräge Flanke 9 einer Nut 10 in dem Rohr 1 mit einer Schallkopplungsmittel-Schicht 11 festgebunden. Die Dicke des Rohres 1 an der tiefsten Stelle der Nut beträgt ca. 1-2 mm. Das Schallkopplungsmittel kann ein Epoxykleber, ein Cyanokleber oder ein leitfähiger, beispiels­ weise silbergefüllter Acrylatkleber sein, der in der Lage ist, den piezoelektrischen Sendeschallwandler 5 fest und schallgekop­ pelt mit dem Rohr 1 zu verbinden. Die Nut 10 ist durch eine Einkerbung des Rohres 1 an der betreffenden Seite gebildet.

Der Rohrinnendurchmesser d beträgt beispielsweise 6 mm. Dann wird vom Sendeschallwandler 5 der Ultraschallstrahl 12 (Leit­ frequenz) mit einem Einstrahlwinkel Alpha von ca. 30° gegenüber der Rohrlängsachse 13 schräg in die Flüssigkeit in Strömungs­ richtung 2 eingestrahlt.

Der Ultraschallstrahl 12 wird im Meßbereich B an Streuteilchen in der Flüssigkeit reflektiert und die reflektierte Strahlung (Empfangsfrequenz), die aufgrund des Dopplereffekts durch die Bewegung der Streuteilchen in Richtung des Pfeiles 2 frequenz­ verschoben ist, wird von einem Empfangsschallwandler 15 in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Empfangsschallwandler 15, der in gleicher Weise ausgebildet ist wie der Sendeschallwandler 5, also als Piezo-Schwingerplättchen, ist ebenfalls mit der schrä­ gen Flanke 16 einer Nut 17 im Rohr 1 mittels einer Schallkopp­ lungsmittelschicht 18 fest verbunden. Er ist in gleicher Weise aus einem piezoelektrischen Kristall und Elektroden aufgebaut wie der Sendeschallwandler 5. Die Nut 17 liegt dabei der Nut 10 zentriert gegenüber und der Empfangsschallwandler 15 an der Nutflanke 16 ist in gleicher Weise auf den Meßbereich B ausgerichtet, wie der Sendeschallwandler 5. Die Nut 17 ist eben­ falls durch Einkerben des Rohres 1 an der betreffenden Seite gebildet.

Das vom Empfangsschallwandler 15 erzeugte elektrische Signal wird in einem Verstärker 19 verstärkt. In einem Mischer 20 folgt die Differenzbildung zwischen Leitfrequenz und Empfangsfrequenz, die dann die Doppler-Frequenz ergibt. Das gebildete Doppler- Meßsignal wird über den nachgeschalteten Fourier-Analysator 21 auf einem Display 22 zur Anzeige gebracht.

Die Nutflanken 9 und 16, die an einander diametral gegenüberlie­ genden Seiten an der Außenwand des Meßrohres 1 angebracht sind, bilden also ebene Flächen, die in Strömungsrichtung 2 von innen nach außen verlaufen, und zwar mit einem Winkel, der dem Ein­ strahlwinkel Alpha entspricht.

Nach Fig. 2 weist das Meßrohr 1 einen ovalen Querschnitt auf. Der Sende- und Empfangsschallwandler 5 bzw. 15 liegen dabei auf ebenen Flächen 28, 29 an der Außenseite des Rohres 1 auf. Die Innenwandflächen 30, 31, die den ebenen Flächen 28, 29 an der Außenwand zugewandt sind, sind ebenfalls als ebene Flächen aus­ gebildet.

Nach Fig. 1 und 2 liegen die ebenen Flächen 9, 16 bzw. 28, 29, auf denen der Sendeschallwandler 5 bzw. der Empfangsschallwand­ ler koplanar aufliegt, einander gegenüber.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme in einem Meßrohr mit kleinem Innenquerschnitt nach dem Hochfrequenz-Ultraschall- Doppler-Prinzip mit einem Sende- und Empfangsschallwandler und einem an den Sende- und Empfangsschalter angeschlossenen Mischer zur Erzeugung eines Differenzsignals aus Leitfrequenz und Empfangsfrequenz, wobei der Sende- und Empfangsschallwandler plättchenförmig ausgebildet sind und jeweils auf einer ebenen Fläche an der Außenwand des Meßrohres planparallel aufliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Meßrohres (1) in dem Bereich, der der jeweiligen ebenen Fläche (28, 29) an der Außenwand zugewandt ist, ebenfalls als ebene Fläche (30, 31) ausgebildet ist und das Meßrohr (1) im Querschnitt ein Oval bildet, dessen beide Längsseiten durch die ebenen Flächen (28, 29; 30, 31) an der Außenwand und der Innenwand gebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (28, 29) an der Außenwand, auf der der Sende- und Empfangsschallwandler (5, 15) angeordnet sind, jeweils durch eine Flanke (9, 16) einer Nut (10, 17) in der Außenseite des Meßrohres (1) gebildet sind.