DE8904673U1 - Flow measuring device for liquid media based on the ultrasonic transit time principle - Google Patents
Flow measuring device for liquid media based on the ultrasonic transit time principleInfo
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Durchflußmeßeinrichtung for flüssige Medien nach dem Ultraschall-Laufzeitprinzip Flow measuring device for liquid media based on the ultrasonic transit time principle
Die Neuerung betrifft eine Durchflußmeßeinrichtung fur flüssige Medien nach dem Ultraschall-Laufzeitprinzip mit einem Mantelrohr, welches ein vom zu messenden Medium durehströmtes Meßrohr umschließt, nach dem Oberbegriff des Schützanspruchs 1,The innovation relates to a flow measuring device for liquid media according to the ultrasonic transit time principle with a jacket tube which encloses a measuring tube through which the medium to be measured flows, according to the preamble of claim 1,
Eine solche Durchflußmeßeinrichtung ist aus der DE-PS 35 44 456 bekannt*Such a flow measuring device is known from DE-PS 35 44 456 *
Sei dieser öureiiflußmeßsinTleMung sind Ultraschallwandler mit. schräg zu ihrer Symmetrieachse ein- bzw, austretendem Ultrasch&ilstrahlenbündsl, sogenannte Intefüigitalwandler, benutzt. Diese Interdigitslwandler sind gegenüber ebenfalls bekannten, senkrecht, zu ihrer Oberfläche abstrahlenden üzw. empfangenden Ultraschallwandleri verhältnismäßig aufwendige Bauelemente, deren Kapselung gegart eindringende Feuchtigkeit außerdem nicht aus Metall bestehen darf. Eine solche Metallkapselung würde eine zu große Dämpfung der unter einem Winkel von 45" austretenden Ultraschallstrahlen hervorrufen. Diese Wandler kennen daher nur mit einer Kunststoffkapselung ausgerüstet werden, die / \ gegenüber insbesondere aggressiven Flüssigkeiten keine hohe Standfestigkeit besitzt. Dadurch kommt es nach relativ kurzer Zeit zu Undichtigkeiten und damit zum Ausfall des betreffenden Ultraschallwandlers.For this type of oil flow measurement, ultrasonic transducers with an ultrasonic beam entering or exiting at an angle to their symmetry axis, so-called interdigital transducers, are used. These interdigital transducers are relatively complex components compared to the well-known ultrasonic transducers that radiate or receive perpendicularly to their surface, and their casing must not be made of metal to prevent moisture from penetrating. Such a metal casing would cause excessive attenuation of the ultrasonic beams exiting at an angle of 45". These transducers can therefore only be fitted with a plastic casing, which does not have a high level of stability, particularly with aggressive liquids. This leads to leaks after a relatively short time and thus to the failure of the ultrasonic transducer in question.
Die Verwendung von Ultraschallwandlern mit parallel zu ihrer Symmetrieachse ein- bzw. austretendem Ultraschallstrahlenbündel ist an sich aus der EP-A-O 303 255 bekannt. Die dort offenbarte Meßeinrichtung ist so aufgebaut, daß das jeweils gesendeteThe use of ultrasonic transducers with ultrasonic beams entering or exiting parallel to their axis of symmetry is known per se from EP-A-0 303 255. The measuring device disclosed therein is constructed in such a way that the transmitted
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(&Lgr; 1 das Medium auf eine ReWektoffi'äche telffX, die gegenüber der Flußrichtung des Mediums derart abgewinkelt ist, daß sie das Ultraschallstrahlenbündel in Richtung auf den empfangenden Ultraschallwandler unter einem solchen Winkel reflektiert, daß 5 dieser nach einem zweiten Durchtritt durch das Medium eine weitere Reflexion an der gegenüberliegenden Innenwand der Meßeinricntung symmetrisch zwischen den Ultraschallwandlern er-(Λ 1 the medium onto a reflecting surface telffX which is angled relative to the flow direction of the medium in such a way that it reflects the ultrasonic beam in the direction of the receiving ultrasonic transducer at such an angle that, after a second passage through the medium, the latter causes a further reflection on the opposite inner wall of the measuring device symmetrically between the ultrasonic transducers.
II eine zweite reziprok zu der ex stern abgewinkelte Reflexions-Ü| 10 flache auftrifft und nach einem vierten Durchtritt durch das 1 Medium an die Oberfläche des empfangenden Ultraschallwandlers % - gelangt.II a second reflection surface reciprocally angled to the ex stern angled surface hits and after a fourth passage through the 1 medium reaches the surface of the receiving ultrasonic transducer % - .
&xgr; ( ) Diese Meßeinrichtung zelchnst sich dadurch aus, daß sie einen &xgr; ( ) This measuring device is characterized by the fact that it has a
15 sehr einfachen Aufbau besitzt, und die verwendeten Ultraschall-15 has a very simple structure, and the used ultrasonic
• wandler wesentlich preiswerter sind als die Interdigitalwand-• converters are much cheaper than the interdigital wall
"' ler. Allerdings eignet sich diese Meßeinrichtung nur für eine"' ler. However, this measuring device is only suitable for a
; bestimmte Anwendungsart, nämlich derjenigen mit zweiseitigem; specific type of application, namely that with two-sided
: 20 rohranschluß, bei dem der Flüssigkeitseintritt und der Flüssig-: 20 pipe connection where the liquid inlet and the liquid
:: keitsaustritt auf der gleichen Seite erfolgen, ist diese Meß-: : If the outlet is on the same side, this measurement is
■: einrichtung nicht anwendbar.■ : facility not applicable.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell ver- <; 25 wendbare Durchflußmeßeinrichtung zu schaffen, die mit parallel !1 &khgr; zu ihrer Symmetrieachse ein- bzw. austretendem Ultraschallstrahlenbündel arbeitenden Ultraschallwandlern ausgestattfit werden kann und die sowohl eine Messung für Anschlußarmaturen erlaubt, bei denen Flüssigkeitseintritt und Flüssigkeitsaus-30 tritt an gegenüberliegenden Seiten erfolgt, wie bei solchen Armaturen, bei denen die Flüssigkeit an der gleichen Seite ein- und ausströmt.The innovation is based on the task of creating a universally usable flow measuring device which can be equipped with ultrasonic transducers operating with an ultrasonic beam entering or exiting parallel to its axis of symmetry and which allows measurement for connection fittings in which the liquid enters and exits on opposite sides, as well as for fittings in which the liquid flows in and out on the same side.
Diese Aufgabe wird durch die im Schutzanspiuch 1 angegebene 35 Neuerung gelöst. Dadurch ist erreicht, daß eine universellThis task is solved by the innovation specified in claim 1. 35 This achieves a universal
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• (it. · ■ -,·• (it. · ■ -,·
•&igr; · I «3»•&igr; · I «3»
anwendbare und herstsilJndstkonnfiscV.gbnietige Durchflußmeßeinrichtung nach dem Ultraschall-Laufzeitprinzip mit Ultraschallwandlern ausgerüstet werden kann, die wegen ihres parallel zu ihrer Symmetrieachse ein- bzw. austretenden Ultraschallstrahlenbündeis die bereits beschriebenen Vorteile besitzen.applicable and manufacturing-compatible flow measuring device based on the ultrasonic transit time principle can be equipped with ultrasonic transducers, which have the advantages already described due to their ultrasonic beam entering and exiting parallel to their axis of symmetry.
In einer Weiterbildung der Neuerung gemäß Schutzanspruch 2 ist durch die geringe Neigung der Reflexionsflächen erreicht, daß die Wirbelbildung in Flußrichtung hinter den Reflexionsflächen gering bleibt, so daß sich keine ausgeprägten Schmutzecken bilden können. Außerdem bewirkt die doppelte Reflexion des Ultraschallstrahles eine längere Durchtrittsstrecke durch das Medium, was zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit führt.In a further development of the innovation according to claim 2, the slight inclination of the reflection surfaces ensures that the formation of turbulence in the direction of flow behind the reflection surfaces remains low, so that no pronounced dirt corners can form. In addition, the double reflection of the ultrasound beam causes a longer passage through the medium, which leads to an increase in measurement accuracy.
Die Ausbildung des Meßrohres nach Schutzanspruch 3 hat den Vorteil, daß wegen der unterschiedlichen Ultraschallgeschwindigkeiten zwischen den metallischen Reflir:tionsflächen und dem Kunststoffmaterial der Rohrwandung, in der diese eingebettet sind, die störende Streustrahlenbildung durch Beugung vonThe design of the measuring tube according to claim 3 has the advantage that, due to the different ultrasonic speeds between the metallic reflection surfaces and the plastic material of the tube wall in which they are embedded, the disturbing formation of scattered rays through diffraction of
Weitere Einzelheiten der Neuerung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Darin zeigen:Further details of the innovation can be found in the following examples. They show:
~Z5 Fig. &igr; eine uurcnriuumeueinricnxung mit riussigKeusein- &udigr;&pgr;&agr; -austritt an unterschiedlichen Seiten des Mantelrohres und ~Z5 Fig. &igr; a uurcnriuumeuneueinrichnxung with russigKeusein- &udigr;παι outlet on different sides of the jacket pipe and
Fig. 2 einen sogenannten Einrohranschluß, bei dem Flüssigkeitsein- und -austritt an der gleichen Seite erfolgen.Fig. 2 a so-called single-pipe connection, where the liquid inlet and outlet occur on the same side.
Gemäß Fig. 1 besteht die Durchflußmeßeinrichtung aus einem Mantelrohr 1, welches auf der Einstromseite des in Form von Pfeilen 2 schematisch dargestellten flüssigen Mediums mit einem Anschlußstutzten 3 versehen ist, auf dessen Außengewinde dieAccording to Fig. 1, the flow measuring device consists of a jacket tube 1, which is provided with a connecting piece 3 on the inflow side of the liquid medium shown schematically in the form of arrows 2, on whose external thread the
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nicht dargestellte übe Wurf mutiet'i eine! BtJrehflußrohres flüssigkeitsdicht aufschraubbar 1st. Die Ausströmseite des Mantelrohres 1 ist mit einem Innengewinde versehen, in welches ein Reduzierstück 5 eingeschraubt ist, das mit einem Anschlußstutzen 6 versehen ist, dessen Außengewinde 7 dem Außengewinde 4 des Anschlußstutzens 3 gleich ist und auf das eine Überwurfmutter des nicht dargestelltrn DurchfluQrohres flüssigkeitsdicht aufschraubbar ist, in das das Medium 2 einfließt.The outlet side of the jacket pipe 1 is provided with an internal thread into which a reducer 5 is screwed, which is provided with a connecting piece 6 , the external thread 7 of which is the same as the external thread 4 of the connecting piece 3 and onto which a union nut of the flow pipe (not shown) can be screwed in a liquid-tight manner, into which the medium 2 flows.
Das Innere des metallischen Mantelrohres 1 ist so ausgebildet, daß es ein Meßrohr 9 aus Kunststoff aufnehmen kann. Dieses wird in das Mantelrohr einyefüüft üTiu ist mit. StütZliriycn 10 versehen, die auf korrespondierenden Halterungsrippen 8 des Mantelrohres aufliegen. Das Meßrohr 9 liegt ausströmseitig mit seiner Stirnfläche an einem ringförmigen Ansatz 11 des Reduzierstückes an. Beide sind so bemessen, daß eine Anschlagnase 14 des Meßrohres 9 im eingeschraubten Zustand des Reduzierstückes 5 an einer Bezugsfläche 15 des Mantelrohres 1 anliegt. Das Meßrohr „st mittels einer O-Ring-Dichtung 12 und einem Dichtring 13 sowohl gegen das Mantelrohr wie gegen das Meßrohr 9 abgedichtet. Die Wand des Mantelrohres 1 ist mit Bohrungen 16, 17 für die Aufnahme der Ultraschallwandler 18, 19 versehen, deren Symmetrieachsen in einem Abstand a parallel zur Fließrichtung des Mediums angeordnet sind. Die Ultraschallwandler 18, 19 sind durchThe interior of the metal casing tube 1 is designed in such a way that it can accommodate a measuring tube 9 made of plastic. This is inserted into the casing tube and is provided with support rings 10, which rest on corresponding support ribs 8 of the casing tube. The measuring tube 9 rests on the outflow side with its front face on an annular projection 11 of the reducer. Both are dimensioned in such a way that a stop lug 14 of the measuring tube 9 rests on a reference surface 15 of the casing tube 1 when the reducer 5 is screwed in. The measuring tube is sealed against both the casing tube and the measuring tube 9 by means of an O-ring seal 12 and a sealing ring 13. The wall of the jacket tube 1 is provided with holes 16, 17 for the accommodation of the ultrasonic transducers 18, 19, whose axes of symmetry are arranged at a distance a parallel to the flow direction of the medium. The ultrasonic transducers 18, 19 are
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diese durch O-Ring-Dichtungen 22, 23 abgedichtet. Der Außendurchmesser des Meßrohres 9 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Mantelrohres 1. Der dadurch vorhandene Zwischenraum zwischen den beiden Rohren steht mit dem flüssigen Medium in Verbindung, so daß die Wandung des Meßrohres praktisch druckfrei ist. Das Meßrohr P ist mit zwei zu den Bohrungen 16, 17 des Mantelrohres koaxialen Öffnungen 24, 25 fur den Durchtritt der von den Ultraschallwandlern 18, 19 in Richtung ihrer Symmetrieachse s erzeugten Ultraschallstrahlenbündel in das Innere des Meßrohres versehen. Diesen öffnungenthese are sealed by O-ring seals 22, 23. The outer diameter of the measuring tube 9 is slightly smaller than the inner diameter of the jacket tube 1. The resulting gap between the two tubes is in contact with the liquid medium, so that the wall of the measuring tube is practically pressure-free. The measuring tube P is provided with two openings 24, 25 coaxial with the holes 16, 17 of the jacket tube for the passage of the ultrasonic beams generated by the ultrasonic transducers 18, 19 in the direction of their axis of symmetry s into the interior of the measuring tube. These openings
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25, 26 gegenüber liegen tie*talJ,iscKe'Aaf Igoren 26, 27, deren Reflexionsflächen in einem Winkel von 22,5' gegen die Flußrichtung einander zugewandt geneigt sind und deren Größe so bemessen ist, daß das iuftreffende Ultraschallstrahlenbündel durch mehrfache Reflexionen an gegenüberliegend, in von den Reflexionswinkeln bestimmten Abständen angeordneten, in die Innenwand des Meßrohres bündig und mit ihren Reflexionsflächen parallel zur Fließrichtung des Mediums eingelassenen Reflektoren 28, 29, 30 vom jeweils sendenden, an den empfangenden Ultraschallwandler gelangt.25, 26 are located opposite to each other deep reflectors 26, 27, whose reflection surfaces are inclined towards each other at an angle of 22.5' against the direction of flow and whose size is such that the incident ultrasonic beam passes from the respective transmitting ultrasonic transducer to the receiving ultrasonic transducer by multiple reflections on opposite reflectors 28, 29, 30 arranged at distances determined by the reflection angles, flush with the inner wall of the measuring tube and with their reflection surfaces parallel to the direction of flow of the medium.
Es sei angenommen, daß der Ultraschallwandler 18 auf Senduna und der Ultraschallwandler 19 auf Empfang geschaltet ist. Die dazu notwendige Elektronik ist bekannt und bedarf daher keiner näheren Erläuterung. Vom sendenden Ultraschallwandler 18 gelangt das Ultraschallstrahlenbündel zunächst an den geneigten Reflektor 26, von diesem an den gegenüberliegenden, flußrichtungsparallelen Reflektor 28, der das Ultraschallstrahlenbündel auf den symmetrisch zwischen beiden Ultraschallwandlern angeordneten fließrichtungsparallelen Reflektor 29 lenkt, von dem es durch erneute Reflexion an den fließrichtungsparallelen, gegenüberliegenden Reflektor 30 gelangt, der es auf den zweiten geneigten Reflektor 27 umlenkt, der es dann schließlich dem empfangenden Ultraschallwandler 19 senkrecht zur Flußrichtung zuführt.It is assumed that the ultrasonic transducer 18 is switched to transmit and the ultrasonic transducer 19 is switched to receive. The electronics required for this are known and therefore do not require any further explanation. From the transmitting ultrasonic transducer 18, the ultrasonic beam first reaches the inclined reflector 26, from there to the opposite reflector 28 parallel to the flow direction, which directs the ultrasonic beam to the reflector 29 parallel to the flow direction, which is arranged symmetrically between the two ultrasonic transducers, from which it is reflected again to the opposite reflector 30 parallel to the flow direction, which redirects it to the second inclined reflector 27, which then finally feeds it to the receiving ultrasonic transducer 19 perpendicular to the flow direction.
Da das Meßrohr 9 aus Kunststoff besteht, erleidet der durch die metallischen Reflektoren hindurchtretende Anteil des Ultraschallstrahles eine so starke Beugung, daß er nicht mehr zeitverzögert in den Meßstrahl gelangen und dort als störende Streustrahlung das Meßergebnis verfälschen kann. Durch die beschriebene 5-fache Reflexion des Ultraschallstrahlenbündels ist zum einen erreicht, daß der Neigungswinkel der unterhalb der Ultraschallwandler 18, 19 angeordneten Reflexionsflächen 26, 27 so gering gehalten werden kann, daß hinter diesen nur eine un-Since the measuring tube 9 is made of plastic, the portion of the ultrasound beam that passes through the metal reflectors is diffracted so strongly that it can no longer enter the measuring beam with a time delay and distort the measurement result as disruptive scattered radiation. The described 5-fold reflection of the ultrasound beam ensures that the angle of inclination of the reflection surfaces 26, 27 arranged below the ultrasound transducers 18, 19 can be kept so small that only an un-
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^esefvtliche Verwirbelung*, des Med'iiuins^gnd.'iilamit eine entsprechend geringe Neigung zur Entstehung von schmutzecken besteht. Außerdem ist die Wegstrecke des Ultraschallstrahlenbündels durch das Medium hindurch länger als etwa bei einer 3-fachen Reflexion, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Messung beiträgt.^seful turbulence* of the medium^gnd.'iila, with a correspondingly low tendency for the formation of dirt spots. In addition, the path of the ultrasound beam through the medium is longer than with a 3-fold reflection, which contributes to an increase in the accuracy of the measurement.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Meßrichtung nach Fig. 1 dargestellt, bei der anstelle der in der gleichen Richtung liegenden Eintritts- und Austrittsöffnung des Mediums diese öffnungen an der gleichen Seite als sogenanntes Einrohr-Anschlußelement ausgebildet sind. Solche Einrohr-Anschlußelementfci sind im Prinzip aus der Installationstechnik bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung. Auch entspricht der Innenaufbau bezüglich der Anordnung der Ultraschallwandler 18, 19 und des MeQrohres 9 demjenigen in rig. 1 und die gleichen Bauelemente sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das Mantelrohr 31 ist so ausgebildet, daß das Meßrohr auf die gleiche Weise, wie in Fig. 1 beschrieben, durch Befestigungsmittel 8, 10 herausnehmbar im Mantelrohr fixiert werden kann und die Austrittsöffnung des Mantelrohres 9 unmittelbar an der Austrittsöffnung der rohrseitigen Armatur flüssigkeitsdicht anliegt. Das Mantelrohr besitzt eine zur Austrittsöffnung des Meßrohres koaxiale Eintrittsöffnung, die sich mit Hilfe einer überwurfmutter 32 an der nicht dargestellten Rohrarmatur befestigen läßt. Das flüssige Medium tritt in Richtung der Pfeile 2 in den Raum zwischen der Außenwand des Meßrohres 0 und der Innenwand des Mantelrohres 31 in die Meßeinrichtung ein, wird am geschlossenen Ende des Mantelrohres 31 nach innen umgelenkt, tritt durch das Meßrohr 9 hindurch und fließt an dessen austrittsseitigem Ende in die Armatur zurück. Die Ventilschraube 33 am Ende des Mantelrohres dient der Druckentlastung baim Lösen des Mantelrohres von der Armatur.Fig. 2 shows a variant of the measuring direction according to Fig. 1, in which instead of the inlet and outlet openings of the medium lying in the same direction, these openings are designed on the same side as a so-called single-pipe connection element. Such single-pipe connection elements are known in principle from installation technology and require no further explanation. The internal structure with regard to the arrangement of the ultrasonic transducers 18, 19 and the measuring tube 9 also corresponds to that in Fig. 1 and the same components are therefore provided with the same reference numerals. The jacket tube 31 is designed in such a way that the measuring tube can be removably fixed in the jacket tube by fastening means 8, 10 in the same way as described in Fig. 1 and the outlet opening of the jacket tube 9 lies directly against the outlet opening of the pipe-side fitting in a liquid-tight manner. The jacket tube has an inlet opening coaxial with the outlet opening of the measuring tube, which can be attached to the pipe fitting (not shown) using a union nut 32. The liquid medium enters the measuring device in the direction of the arrows 2 in the space between the outer wall of the measuring tube 0 and the inner wall of the jacket tube 31, is diverted inwards at the closed end of the jacket tube 31, passes through the measuring tube 9 and flows back into the fitting at its outlet end. The valve screw 33 at the end of the jacket tube serves to relieve pressure when the jacket tube is released from the fitting.
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/ 1 Die beiden in den Fi^i.!..und1.2: g'«zeiJgJ>en|*leßeinrichtungen/ 1 The two in the Fi^i.!..and 1 .2 : g'«zeiJgJ>en|*lesßeinrichtungen
unterscheiden sich lediglich durch die unterschiedlich ausgeführten Mantelrohre voneinander. Das Meßrohr 9 ist in beiden Fallen völlig identisch. Dies erlaubt eine rationelle Ferti-5 gung insbesondere der Präzisionsteile.differ from each other only in the different design of the jacket tubes. The measuring tube 9 is completely identical in both cases. This allows for efficient production, particularly of the precision parts.
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1989
- 1989-04-13 DE DE8904673U patent/DE8904673U1/en not_active Expired
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