EP1825228A1 - Device for determining and/or monitoring a volumetric and/or mass flow - Google Patents

Device for determining and/or monitoring a volumetric and/or mass flow

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Publication number
EP1825228A1
EP1825228A1 EP05813346A EP05813346A EP1825228A1 EP 1825228 A1 EP1825228 A1 EP 1825228A1 EP 05813346 A EP05813346 A EP 05813346A EP 05813346 A EP05813346 A EP 05813346A EP 1825228 A1 EP1825228 A1 EP 1825228A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring tube
measuring
ultrasonic
flow
medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05813346A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Fröhlich
Achim Wiest
Andreas Berger
Torsten Strunz
Oliver Berberig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1825228A1 publication Critical patent/EP1825228A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring the volume and / or mass flow of a measuring medium through a pipeline or a measuring tube, wherein the measuring medium flows through the measuring tube essentially in a flow direction parallel to the longitudinal axis of the measuring tube at least one ultrasonic sensor which emits and / or receives ultrasonic measurement signals on at least one defined sound path, wherein the at least one ultrasonic sensor is placed in the wall of the measuring tube or on the outer wall of the pipeline at a defined sensor position, and with a control / evaluation unit, which determines the volume and / or mass flow of the medium to be measured through the pipeline or through the measuring tube on the basis of the ultrasonic measurement signals.
  • the measuring medium may be a liquid, gas or vapor medium.
  • the ultrasonic sensors are mounted medium touching.
  • a significantly higher sound power can be coupled into the measuring medium.
  • the coupling of a higher sound power leads to an improvement of the signal / noise ratio.
  • the signal / noise ratio is defined by the ratio of useful signal to interference signal.
  • the useful signal defines the proportion of ultrasonic measurement signals that are transmitted via the measuring medium.
  • the interference signal represents the proportion of ultrasonic measurement signals that reach the receiver via the measuring tube.
  • the ultrasonic sensors are positioned at an inline flow meter in holes in the wall of the measuring tube.
  • the ultrasonic sensors are mounted in the wall of the measuring tube so that in any case the tightness of the measuring tube is guaranteed under all operating conditions.
  • an arrangement is used in which the ultrasonic sensors are located on a direct connecting line.
  • the ultrasonic measurement signals reach the inner wall of the measuring tube via multiple reflection from the transmitting to the receiving ultrasonic sensor.
  • the transit time, the phase difference or the frequency difference of ultrasound measuring signals which are normally used to obtain the desired flow information are used in order to obtain the desired flow information.
  • the reason for the non-linear behavior of the measured value deviations to small Reynolds numbers out is the influence of the flow in the measuring tube through the previously described cavities. It is an intrinsic feature of laminar flows that they become more and more closely conformed to the inner wall of the measuring tube as the Reynolds number decreases, ie the flow follows any wall irregularity. Such an irregularity is, for example, a previously described fluid bag. Due to the deviating in the range of ultrasonic sensors from the main flow velocity components are additional Integrated speed components along the sound path, so that at low Reynolds numbers towards significant deviations occur.
  • a grating is arranged in front of the cavity in US-PS 3,906,791 so that it is flush with the inner wall of the measuring tube.
  • This insert is acoustically permeable due to adapted dimensions for the ultrasonic measuring signals.
  • a disadvantage of this solution are the expected acoustic attenuation and the scattering of the ultrasonic measurement signals, the additional manufacturing effort and the risk of adding the grid in impure fluids.
  • a disadvantage of this solution is that it comes to a weakening of the useful signal due to the reduced sound opening.
  • deposits can also lead to blockages in the case of impure fluids. It can also come in the case of a flowing liquid to air pockets in the cavities, which also has a negative effect on the strength of the useful signal.
  • a method which aims at a subsequent correction of the measured value deviation.
  • it is proposed to continuously determine the Reynolds number of the flowing fluid on the basis of the ratios of speeds or the differences of speeds along at least two measuring paths / sound paths which differ from one another.
  • the invention has for its object to obtain a method for linearization of the measurement characteristic over an extended Reynolds number range.
  • the object is achieved in that the wall of the pipe or the
  • Measuring tube in the region of the defined sensor position of the ultrasonic sensor and / or in the sound path of the ultrasonic measurement signals of the at least one ultrasonic sensor has a deformation or deformations which is configured and / or arranged such that the measured in the sound path flow velocity of the Measuring medium or - in the case of multiple ultrasonic sensors
  • the measured in the sound paths and / or computed flow velocities of the measuring medium regardless of the Reynolds number at least approximately corresponds to the mean over the surface of the pipe or the measuring tube averaged flow velocity of the measuring medium.
  • a significant advantage of the device according to the invention is the fact that even with inline flowmeters with small diameters (DN 15 "DN50) and small Reynolds numbers (Re ⁇ 10'00O) flow-mechanically related measured value deviations caused by concern of the flow are caused to the deformed in the ultrasonic sensors or measuring tube by turbulence of the medium to be measured in the cavities between the ultrasonic sensors and the inner wall of the measuring tube are minimized.
  • the deformations involve, in particular, recesses or depressions in the wall of the measuring tube. These recesses are dimensioned such that measured value deviations over the desired Reynolds number measurement range are minimized either for each individual sound path, or else the minimization comes about by offsetting the individual sound paths conditions.
  • the deformations are substantially configured in the region between the end of the inner tube of the measuring tube end of the at least one ultrasonic sensor and the inner wall of the measuring tube so that flow components that from the longitudinal axis of Diverge measuring tube parallel flow direction, at least approximately compensate along the measurement path and / or are at least approximately displaced out of the measuring path.
  • the invention is based on targeted by specific geometric changes / change or deformation / deformation of the inner wall of the measuring tube in the vicinity of the cavity filled with the measuring medium to influence the flow of the measuring medium so
  • the deformation or the deformations are designed so that no narrow gaps occur in the region of the defined sensor position of the ultrasonic sensor and / or in the region of the sound path of the ultrasonic measurement signals of the at least one ultrasonic sensor.
  • Wall of the pipe or the measuring tube is a the cross section of the pipe or the measuring tube enlarging depression.
  • the deformation may also be a projection projecting into the interior of the measuring tube.
  • At least one ultrasonic sensor is positioned in a bore and / or designed so that it protrudes into the interior of the measuring tube.
  • it also advantageously influences the flow behavior of the measurement medium with regard to a linearization of the measurement characteristic for low Reynolds numbers, or it influences it in conjunction with at least one deformation which can be found in its vicinity.
  • the flowmeter may be a clamp-on flowmeter or an inline flowmeter.
  • the clamp-on flowmeter or the inline flowmeter determines the flow velocity of the measuring medium either after a sound carry-on method, in particular according to the transit time difference principle, or after a Doppler method.
  • the measuring tube or the ultrasonic sensor or the ultrasonic sensors supporting portion of the pipe is made as a casting.
  • the casting itself is made of either metal or plastic.
  • FIG. 1a is a perspective view of a cut-measuring tube according to a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 1b shows a longitudinal section according to the marking A-A in Fig. Ic
  • FIG. 2a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a second embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2b shows a longitudinal section according to the marking A-A in Fig. 2c
  • FIG. 2c shows a cross section according to the marking B-B in FIG. 2b, FIG.
  • 3a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a third embodiment of the device according to the invention
  • 3b shows a longitudinal section according to the marking AA in Fig. 3c
  • FIG. 3c shows a cross section according to the marking B-B in FIG. 3b, FIG.
  • FIG. 4a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a fourth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 4b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 4c
  • FIG. 4c shows a cross-section according to FIG 5 a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a fifth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 5 b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 5 c
  • FIG. 5c a cross section according to the marking BB in FIG. 5b
  • FIG. 6a a perspective view of a cut measuring tube according to a sixth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 6a a perspective view of a cut measuring tube according to a sixth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 6b a longitudinal section according to the marking AA in FIG Fig. 6c
  • Fig. 6c a cross section according to the marking BB in Fig. 6b
  • Fig. 7a a perspective view of a cut measuring tube g 7b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 7c
  • FIG. 7c shows a cross section according to the marking BB in FIG. 7b
  • FIG. 8a shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 8c
  • FIG. 8c shows a cross section according to the marking BB in FIG.
  • FIG. 8b 9a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a ninth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 9b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 9c
  • FIG. 9c shows a cross-section according to FIG the marking BB in Fig. 9b
  • Fig. 10a a perspective view of a cut measuring tube according to a preferred embodiment of the device according to the invention
  • [0061 10b a longitudinal section according to the marking BB in FIG. 10d
  • FIG. 10c a cross section according to the marking AA in FIG. 10d
  • FIG. 10d a top view of the measuring tube according to the marking C.
  • FIG. 1a a schematic representation of a first embodiment of the invention as FIG
  • FIG. 1 Ib a schematic representation of a second embodiment of the as
  • FIG. 1 Ic a schematic representation of a third embodiment of a as
  • Fig. 12a a schematic representation of the measurement characteristic of a conventional ultrasonic flowmeter with three sound paths
  • Fig. 1 to Fig. 9 are schematic representations of nine advantageous embodiments of the in-line flowmeter 10 according to the invention can be seen.
  • the flowmeters 10 shown each have three measuring channels or sound paths.
  • the determination of the volume or mass flow preferably takes place via the transit time difference method.
  • the invention can be used in any ultrasonic flowmeter 9, 10 - completely independent of the selected measurement or evaluation.
  • flow meters with at least two ultrasonic sensors are described below, an ultrasonic flow meter 9, 10 with only one ultrasonic sensor 7 or a sound path with the optimized sensor pockets can also be configured.
  • FIGS. 1 a to 9 a each show a plan view of a cut-open measuring tube 1 configured according to the invention.
  • Three holes 2 with at least partially optimized sensor pockets 4 can be seen on the cut-open measuring tube.
  • the deformations 4 are continuously formed as recesses 4 in the wall of the measuring tube 1. This has the advantage that due to an increase in the diameter D of the measuring tube 1, the risk of clogging in the measuring tube 1 is minimized. It goes without saying, however, that for the purpose of flow optimization, the deformations 4 can also be formed as elevations. Corresponding examples will be described in detail in connection with FIGS. 10, 11.
  • FIGS. 1b to 9b each show a longitudinal section according to the marking A-A in the FIGS. 1c to 9c. These longitudinal sections clearly show the shape of the sensor pocket 4 or the sensor pockets 4.
  • FIGS. 1c to 9c each show a cross section according to the marking B-B in FIGS. 1b to 9b.
  • FIGS. 1 to 9 differ essentially with respect to the design of the deformation 4 or the sensor pocket 4 and their arrangement and / or configuration relative to the ultrasonic sensor (s) 7.
  • FIGS. 1 to 4 show embodiments, wherein a sensor pocket 4 is assigned to an ultrasonic sensor 7 in each case.
  • the bore 2 for receiving an ultrasonic sensor 7 is located in the edge region of the deformation 4.
  • the sensor pocket 4 has a greater width.
  • the deformations 4 extend deeper into the inner wall of the measuring tube 1 than in the two preceding solutions.
  • the bore 2 lies within the sensor pocket 4.
  • Such an embodiment of the deformation in the vicinity of the ultrasonic sensor is used, for example, for targeted flushing of the ultrasonic sensor, which helps prevent deposits.
  • FIG. 5 In the variant shown in the figures Fig. 5 are each two holes 2 arranged in a correspondingly extended sensor pocket 4.
  • FIG. 6 sketch embodiments in which three holes 2 are placed in a sensor pocket 4.
  • FIGS. 8 and 9 likewise have three sound paths.
  • Fig. 8 is a very flat extending increase or decrease of the recess 4 is shown.
  • flow separation is avoided between the measuring tube wall and the recess ⁇ 6 ° across all Reynolds numbers.
  • Fig. 9 shows the same arrangement of sound paths as Fig. 8, but here only a sensor pocket 4 is provided. It is made clear here that for the initially described mode of action of the deformations 4 according to the invention, the change in shape in the immediate vicinity of an ultrasonic sensor 7 can already be sufficient.
  • FIG. 10 shows a preferred embodiment of the device according to the invention, in which the deformation 4 or the deformations 4 come about through components of the sensor pockets 4, wherein these components protrude into the flow and thus also these influence.
  • the component projecting into the flow is the ultrasonic sensor 7 itself.
  • FIG. 10 a shows a perspective view of a cut-open measuring tube 1.
  • FIG. 10 b shows a longitudinal section according to the marking BB in FIG. 10 d and
  • FIG. 10 c outlines a Cross section according to the label AA in Fig. 10d.
  • Fig. 10d is a plan view of the measuring tube 1 according to the marking C in Fig. 10a.
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention designed as a clamp-on flowmeter 9.
  • the wall of the measuring tube 1 has suitable deformations, in this case elevations 4a.
  • a further deformation 4b cross-sectional widening is provided between the two position surfaces 8 for the two ultrasonic sensors 7.
  • This cross-sectional widening 4b is designed in conjunction with the two recesses 4a for positioning the ultrasonic sensors 7 so that the flow path of the measuring medium 5 in the measuring tube 1 is fluidically influenced in the desired manner:
  • the deformations 4a, 4b are such that the flow meter 9 has a largely linear behavior over an extended Reynolds number range.
  • Measuring tube 1 in the region of the sound path of the ultrasonic measurement signals by the three recesses 4a, 4b in the upper region of the measuring tube 1 increases. As a result, no unwanted pressure drop is generated in the measuring tube 1. In addition, a risk of clogging in the measuring tube 1, in particular in the case of small nominal diameters DN and in the case of an impure measuring medium 5, is reduced.
  • Fig. 1 Ib is a schematic representation of a second embodiment of the invention designed as a clamp-on flow meter 9 device to see.
  • the deformations 4d, 4e designed as positioning surfaces 8 protrude into the interior of the measuring tube 1 for the two ultrasonic sensors 7.
  • the third deformation 4f which is an elevation or bulging of the measuring tube 1, is arranged centrally between the two ultrasonic sensors 7.
  • 1 c shows a schematic representation of a third embodiment of a clamp-on flow meter 9 with two ultrasonic sensors 7, which are arranged on opposite sides of the measuring tube 1 and the sound path, respectively.
  • the positioning surfaces 8 can be found at recesses 4g, 4h of the measuring tube 1.
  • the diameter D of the measuring tube 1 likewise increasing deformation 4i joins directly to serving as a positioning surface 8 recesses 4h of the lower ultrasonic sensor 7 at.
  • FIG. 12a shows a schematic illustration of the measurement characteristic of an ultrasonic flowmeter 9; FIG. 10 with three sound paths according to the prior art.
  • FIG. 12b shows a schematic illustration of the measuring characteristic of the ultrasonic flowmeter 9, 10 according to the invention with three sound paths.
  • a ratio of the diameter D SE of the bore b 2 to the inner diameter DM of the measuring tube 1 g b r confuseer than 0.2 adversely affect the measuring characteristic of the ultrasonic flowmeter 9; 10 effects.
  • Reynolds numbers is due to the influence of the flow of the measuring medium 3 in the region of the sensor pockets 4.
  • An essential feature of laminar flows is the property of increasing the Reynolds number to be applied to the wall of the measuring tube 1, i. increasingly to follow the irregularities on the inner wall of the measuring tube 1.
  • the sensor pockets in the area of the sound path lead to transverse components, which are rectified on both sides of the opposite ultrasonic sensors 7, superimposing the main flow components, and thus lead to an additional proportion, which manifests itself as an increasing measurement value deviation.
  • a distinctly different course of all three sound paths is shown: instead of increasing, the central measurement path runs horizontally until Re - 100, while the two other sound paths start at Re ⁇ 400 show decreasing measuring characteristic.
  • the transition from a laminar to a turbulent flow profile on all sound paths can be seen as a significant jump in the measured value deviation; on the other hand, in the overall consideration of all sound paths, in the case of the optimized sensor pockets 4, the result is a continuous and linear measuring characteristic.
  • conventional ultrasonic flowmeters usually already for Re ⁇ 10'0OO already significant measured value deviations.
  • an ultrasound flow meter 9, 10 can be realized exclusively by the use of optimized sensor pockets 4 and by constantly weighted summation of the individual measured values, which within a range Re min: Re max> l'OOO only a measurement uncertainty of + 0.5% having.
  • the linearity guaranteed at Reynolds numbers ⁇ 10'0OO allows a very wide range of applications with regard to the fluids to be measured. By achieving this property by means of flow-mechanical optimization and without subsequent correction of the measured values, this results in a measuring system that retains this property even under unfavorable flow conditions.
  • the robustness can be further increased by targeted flow around / flushing of the ultrasonic sensor measuring points.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The invention relates to an ultrasonic flowmeter (9) for determining and/or monitoring the volumetric and/or mass flow of a measuring medium (5) through a pipe or a measuring tube (1). According to the invention, the wall of the pipe or measuring tube (1) comprises a deformation (4) or deformations in the vicinity of the defined sensor position of the ultrasonic sensor (7) and/or in the vicinity of the sonic path of the ultrasonic signals of the ultrasonic sensor(s) (7). Said deformation or deformations is/are configured and/or located in such a way that the flow speed of the measuring medium (5) that is measured in the sonic path, or in the case of several ultrasonic sensors (7) the flow speeds of the measuring medium (3) that are measured in the sonic paths and/or the cumulative flow speeds of the measuring medium at least approximately corresponds or correspond to the average flow speed of the measuring medium (3) that is calculated over the area of the pipe or measuring tube (1).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder MassedurchflussesDevice for determining and / or monitoring the volume and / or mass flow
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Über- wachung des Volumen- und/ oder Massedurchflusses eines Messmediums durch eine Rohrleitung oder ein Messrohr, wobei das Messmedium das Messrohr im wesentlichen in einer Strömungsrichtung parallel zur Längsachse des Messrohres durchströmt, mit zumindest einem Ultraschallsensor, der Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem definierten Schallpfad aussendet und/oder empfängt, wobei der zumindest eine Ultraschallsensor in der Wand des Messrohres oder an der Außenwand der Rohrleitung an einer definierten Sensorposition platziert ist, und mit einer Regel-/ Auswerteeinheit, die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr anhand der Ultraschall-Messsignale ermittelt. Bei dem Messmedium kann es sich um ein flüssiges, gas- oder dampfförmiges Medium handeln.[0001] The invention relates to a device for determining and / or monitoring the volume and / or mass flow of a measuring medium through a pipeline or a measuring tube, wherein the measuring medium flows through the measuring tube essentially in a flow direction parallel to the longitudinal axis of the measuring tube at least one ultrasonic sensor which emits and / or receives ultrasonic measurement signals on at least one defined sound path, wherein the at least one ultrasonic sensor is placed in the wall of the measuring tube or on the outer wall of the pipeline at a defined sensor position, and with a control / evaluation unit, which determines the volume and / or mass flow of the medium to be measured through the pipeline or through the measuring tube on the basis of the ultrasonic measurement signals. The measuring medium may be a liquid, gas or vapor medium.
[0002] Bei Inline-Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren mediums-berührend angebracht. Hierdurch lässt sich im Vergleich zu Clamp-on-Systemen eine wesentlich höhere Schallleistung in das Messmedium einkoppeln. Die Einkopplung einer höheren Schallleistung führt zu einer Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses. Das Signal-/Rauschverhältnis ist über das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal definiert. Hierbei definiert das Nutzsignal den Anteil der Ultraschall-Messsignale, die über das Messmedium übertragen werden. Das Störsignal repräsentiert den Anteil der Ultraschall-Messsignale, die über das Messrohr zum Empfänger gelangen.For in-line flowmeters, the ultrasonic sensors are mounted medium touching. As a result, compared to clamp-on systems, a significantly higher sound power can be coupled into the measuring medium. The coupling of a higher sound power leads to an improvement of the signal / noise ratio. The signal / noise ratio is defined by the ratio of useful signal to interference signal. Here, the useful signal defines the proportion of ultrasonic measurement signals that are transmitted via the measuring medium. The interference signal represents the proportion of ultrasonic measurement signals that reach the receiver via the measuring tube.
[0003][0003]
[0004] Üblicherweise sind die Ultraschallsensoren bei einem Inline-Durchfluss-messgerät in Bohrungen in der Wand des Messrohres positioniert. Die Ultraschallsensoren sind so in der Wand des Messrohres befestigt, dass auf jeden Fall die Dichtigkeit des Messrohrs unter sämtlichen Betriebs-bedingungen gewährleistet ist. Um das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal zu optimieren, kommt üblicherweise eine Anordnung zum Einsatz, bei der sich die Ultraschallsensoren auf einer direkten Verbindungslinie gegenüber stehen. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Ultraschall-Messsignale über Mehrfachreflexion an der Innenwand des Messrohres vom sendenden zum empfangenden Ultraschallsensor gelangen.Usually, the ultrasonic sensors are positioned at an inline flow meter in holes in the wall of the measuring tube. The ultrasonic sensors are mounted in the wall of the measuring tube so that in any case the tightness of the measuring tube is guaranteed under all operating conditions. In order to optimize the ratio of useful signal to interference signal, usually an arrangement is used in which the ultrasonic sensors are located on a direct connecting line. Of course, an arrangement is also possible in which the ultrasonic measurement signals reach the inner wall of the measuring tube via multiple reflection from the transmitting to the receiving ultrasonic sensor.
[0005] Bei den Inline-Durchflussmessgeräten wird üblicherweise zur Gewinnung der gewünschten Durchfluss-Information die Laufzeit, die Phasen- oder die Frequenzdifferenz von Ultraschall-Messsignale herangezogen, die das Messmedium in Strö- mungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung durchlaufen. Damit der Einfluss des strömenden Messmediums auf die Ausbreitung der Ultraschall-Messsignale messbar ist, müssen die Ultraschallsensoren auf einer Verbindungslinie liegen, die außerhalb der Senkrechten zur Längsachse des Messrohres liegt.In the case of the in-line flowmeters, the transit time, the phase difference or the frequency difference of ultrasound measuring signals which are normally used to obtain the desired flow information are used in order to obtain the desired flow information. flow direction and counter to the flow direction. So that the influence of the flowing measuring medium on the propagation of the ultrasonic measuring signals can be measured, the ultrasonic sensors must lie on a connecting line which lies outside the perpendicular to the longitudinal axis of the measuring tube.
[0006] Aus dieser Einschränkung resultiert also eine zur Längsachse des Messrohres geneigte Anordnung der Ultraschallsensoren. In Verbindung mit der gewünschten Mediumsberührung sind die Bohrungen quer durch das Messrohr geführt; die Ultraschallsensoren werden nachfolgend von außen in die Bohrungen eingesetzt. Um die Ultraschallsensoren vor Abrieb und/oder Beschädigung zu schützen und um die Strömungsverluste so gering wie möglich zu halten, wird üblicherweise dafür Sorge getragen, dass die Ultraschallsensoren nicht in den Innenraum des Messrohres hineinragen. Aufgrund dieser 'versenkten' Anordnung der Ultraschallsensoren in den Bohrungen verbleiben zwischen den dem Innenraum des Messrohres zugewandten Flächen der Ultraschallsensoren und der Innenwand des Messrohres Hohlräume, die mit dem Messmedium ausgefüllt sind. Üblicherweise werden diese Hohlräume als Sensor- oder Fluidtaschen bezeichnet.From this restriction, therefore, results in a direction inclined to the longitudinal axis of the measuring tube arrangement of the ultrasonic sensors. In conjunction with the desired medium contact the holes are made across the measuring tube; The ultrasonic sensors are subsequently inserted from the outside into the holes. In order to protect the ultrasonic sensors from abrasion and / or damage and to keep the flow losses as low as possible, it is usually ensured that the ultrasonic sensors do not protrude into the interior of the measuring tube. Due to this 'sunk' arrangement of the ultrasonic sensors in the holes remain between the interior of the measuring tube facing surfaces of the ultrasonic sensors and the inner wall of the measuring tube cavities that are filled with the measuring medium. Usually, these cavities are referred to as sensor or fluid pockets.
[0007] Es ist bekannt, dass in diesen Hohlräumen Strömungszustände auftreten, die u.U. das Messergebnis erheblich beeinflussen können. Diese Strömungszustands- änderungen, die zu Messwertabweichungen von 10% oder mehr führen können, treten insbesondere im laminaren Strömungszustand (in Rohrleitungen: Re < 2'30O) auf. Die Messgenauigkeit nimmt dann rapide ab, wenn das Verhältnis des Durchmessers einer Bohrung D zur Aufnahme eines Ultraschallsensors zum Innendurchmesser des Messrohres D M größer ist als ca. 0.2. In diesem Fall zeigt es sich, dass bei Unter- schreiten einer vorgegebenen Reynoldszahl (Re < 10'00O) die Messcharakteristik eines Inline-Durchflussmessgeräts nicht-linear wird. Eine Korrektur dieser Messcharakteristi k ist bislang nur möglich über die Bestimmung der aktuellen Reynoldszahl. Die Bestimmung von Reynoldszahlen ist weithin bekannt. Beispielsweise findet sich in der US-PS 5,987,997 die Möglichkeit, die Reynoldszahl über das Verhältnis bzw. den Vergleich der entlang verschiedener Schallpfade gemessenen gemittelten Geschwindigkeiten zu bestimmen.It is known that flow conditions occur in these cavities, the u.U. can significantly influence the measurement result. These flow state changes, which can lead to deviations of 10% or more, occur in particular in the laminar flow state (in pipes: Re <2'30O). The measurement accuracy decreases rapidly when the ratio of the diameter of a bore D for receiving an ultrasonic sensor to the inner diameter of the measuring tube D M is greater than about 0.2. In this case, it turns out that when falling below a given Reynolds number (Re <10'00O), the measuring characteristic of an inline flowmeter becomes non-linear. A correction of this Messcharakteristi k is so far only possible via the determination of the current Reynolds number. The determination of Reynolds numbers is well known. For example, US Pat. No. 5,987,997 discloses the possibility of determining the Reynolds number via the ratio or comparison of the average velocities measured along different sound paths.
[0008] Der Grund für das nicht-lineare Verhalten der Messwertabweichungen zu kleinen Reynoldszahlen hin liegt in der Beeinflussung der Strömung im Messrohr durch die zuvor beschriebenen Hohlräume. Es ist ein intrinsisches Merkmal laminarer Strömungen, dass sie sich bei geringer werdender Reynoldszahl immer stärker an die Innenwand des Messrohres anschmiegen, d.h. die Strömung folgt jeder Wandunregelmäßigkeit. Bei einer solchen Unregelmäßigkeit handelt es sich beispielsweise um eine zuvor beschriebene Fluidtasche. Aufgrund der im Bereich der Ultraschallsensoren von der Hauptströmung abweichenden Geschwindigkeitskomponenten werden zusätzliche Geschwindigkeitsanteile entlang des Schallpfades aufintegriert, so dass zu niedrigen Reynoldszahlen hin erhebliche Messwertabweichungen auftreten.The reason for the non-linear behavior of the measured value deviations to small Reynolds numbers out is the influence of the flow in the measuring tube through the previously described cavities. It is an intrinsic feature of laminar flows that they become more and more closely conformed to the inner wall of the measuring tube as the Reynolds number decreases, ie the flow follows any wall irregularity. Such an irregularity is, for example, a previously described fluid bag. Due to the deviating in the range of ultrasonic sensors from the main flow velocity components are additional Integrated speed components along the sound path, so that at low Reynolds numbers towards significant deviations occur.
[0009] Es ist ein weithin bekanntes Problem, dass insbesondere im Falle des laminarturbulenten Übergangs der Strömungen im Messrohr im Bereich der Fluid- oder Sensortaschen Verwirbelungen auftreten, die sich ebenfalls negativ auf die Linearität eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts auswirken können.It is a well-known problem that, especially in the case of laminarturbulenten transition of the currents in the measuring tube in the fluid or sensor pockets turbulence occur, which can also adversely affect the linearity of an ultrasonic flowmeter.
[0010] Zur Dämpfung der Verwirbelungen in den Hohlräumen der Messrohre von Inline- Durchflussmessgeräten wird in der US-PS 3,906,791 ein Gitter so vor dem Hohlraum angeordnet, dass es bündig mit der Innenwand des Mess-rohres abschließt. Dieser Einsatz ist aufgrund angepasster Abmessungen für die Ultraschall-Messsignale akustisch durchlässig. Nachteilig an dieser Lösung sind die zu erwartende akustische Dämpfung bzw. die Streuung der Ultraschall-Messsignale, der zusätzliche fertigungstechnisch Aufwand und die Gefahr des Zusetzens des Gitters bei unreinen Fluiden.In order to damp the turbulence in the cavities of the measuring tubes of inline flowmeters, a grating is arranged in front of the cavity in US-PS 3,906,791 so that it is flush with the inner wall of the measuring tube. This insert is acoustically permeable due to adapted dimensions for the ultrasonic measuring signals. A disadvantage of this solution are the expected acoustic attenuation and the scattering of the ultrasonic measurement signals, the additional manufacturing effort and the risk of adding the grid in impure fluids.
[0011] Weiterhin wird in diesem US Patent eine Kunststoff - Abdeckplatte/Membran für die Hohlräume beschrieben. Mit dieser Abdeckplatte / Membran geht jedoch nicht nur eine Schwächung des Nutzsignals einher, sondern es kommt darüber hinaus auch zu einer Schallbrechung, die stark temperaturabhängig ist. Auch das vorgeschlagene blasenfreie Befüllen des Hohlraums zwischen dem Ultraschallsensor und der Abdeckplatte / Membran - eine Ausgestaltung, die übrigens bei Anwendungen mit unterschiedlichem statischem Druck erforderlich ist - gestaltet sich sehr aufwendig.Furthermore, a plastic - cover / membrane for the cavities is described in this US patent. With this cover plate / membrane, however, not only a weakening of the useful signal is accompanied, but it also comes to a sound refraction, which is highly dependent on temperature. The proposed bubble-free filling of the cavity between the ultrasonic sensor and the cover plate / membrane - a design that is incidentally required in applications with different static pressure - designed very expensive.
[0012] In der Japanischen Patentanmeldung JP 2003202254 A findet sich ein Vorschlag, bei dem die oben beschriebenen Hohlräume durch eine Art Lochblende verschlossen werden. Der Hohlraum zwischen dem Ultraschallsensor und der Lochblende ist so gestaltet, dass seitlich gerichtete Ultraschall-Messsignale sich schnell totlaufen.In the Japanese patent application JP 2003202254 A there is a proposal in which the cavities described above are closed by a kind of pinhole. The cavity between the ultrasonic sensor and the pinhole is designed so that laterally directed ultrasonic measurement signals run dead fast.
[0013] Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass es aufgrund der reduzierten Schall-Öffnung zu einer Abschwächung des Nutzsignals kommt. Zudem können auch hier im Falle von unreinen Fluiden Ablagerungen zu Verstopfungen führen. Auch kann es im Falle einer strömenden Flüssigkeit zu Lufteinschlüssen im Bereich der Hohlräume kommen, was sich gleichfalls negativ auf die Stärke des Nutzsignals auswirkt.A disadvantage of this solution is that it comes to a weakening of the useful signal due to the reduced sound opening. In addition, deposits can also lead to blockages in the case of impure fluids. It can also come in the case of a flowing liquid to air pockets in the cavities, which also has a negative effect on the strength of the useful signal.
[0014] Anstelle einer strömungsmechanischen Lösung wird in der US-PS 5,987,997 einInstead of a fluidic solution is in US-PS 5,987,997 a
Verfahren beschrieben, das auf eine nachträgliche Korrektur der Messwertabweichung abzielt. Es wird insbesondere vorgeschlagen, anhand der Verhältnisse von Geschwindigkeiten bzw. der Differenzen von Geschwindigkeiten entlang von mindestens zwei voneinander verschiedenen Messpfaden / Schallpfaden die Reynoldszahl des strömenden Fluids durchgängig zu bestimmen.A method is described, which aims at a subsequent correction of the measured value deviation. In particular, it is proposed to continuously determine the Reynolds number of the flowing fluid on the basis of the ratios of speeds or the differences of speeds along at least two measuring paths / sound paths which differ from one another.
[0015] Diese Lösung ist jedoch nur eingeschränkt einsetzbar, da spätestens für Re < 1'0OO sowohl die außermittigen als auch die mittigen Messwertabweichungen parallel verlaufen, wodurch eine eindeutige Bestimmung der Reynoldszahl unmöglich wird. Auch für größere Reynoldszahlen, z.B. Re > 3'000, ist die Bestimmung nicht immer eindeutig. Weiterhin kann es bei diesem bekannten Verfahren zur Korrektur von auftretenden Nichtlinearitäten bei gestörter Anströmung aufgrund fälschlicher Zuordnung der Reynoldszahl zu erheblichen Messwertabweichungen kommen.However, this solution can only be used to a limited extent because at the latest for Re <10000, both the off-center and the mean measured value deviations run parallel, as a result of which an unambiguous determination of the Reynolds number becomes impossible. Even for larger Reynolds numbers, eg Re> 3,000, the determination is not always clear. Furthermore, in this known method for the correction of occurring nonlinearities in the case of disturbed flow due to erroneous assignment of the Reynolds number, considerable measurement value deviations may occur.
[0016] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Linearisierung der Messcharakteristik über einen erweiterten Reynoldszahlen-Bereich zu erhalten.The invention has for its object to obtain a method for linearization of the measurement characteristic over an extended Reynolds number range.
[0017] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wand der Rohrleitung bzw. desThe object is achieved in that the wall of the pipe or the
Messrohres im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors eine Verformung bzw. Verformungen aufweist, die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist bzw. sind, dass die in dem Schallpfad gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums bzw. - im Falle von mehreren UltraschallsensorenMeasuring tube in the region of the defined sensor position of the ultrasonic sensor and / or in the sound path of the ultrasonic measurement signals of the at least one ultrasonic sensor has a deformation or deformations which is configured and / or arranged such that the measured in the sound path flow velocity of the Measuring medium or - in the case of multiple ultrasonic sensors
- die in den Schallpfaden gemessenen und/oder die miteinander verrechneten Strömungsgeschwindigkeiten des Messmediums unabhängig von der Reynoldszahl zumindest näherungsweise der mittleren über die Fläche der Rohrleitung bzw. des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums entspricht.- The measured in the sound paths and / or computed flow velocities of the measuring medium regardless of the Reynolds number at least approximately corresponds to the mean over the surface of the pipe or the measuring tube averaged flow velocity of the measuring medium.
[0018] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass selbst bei Inline-Durchflussmessgeräten mit kleinen Nennweiten (DN 15 „ DN50) und kleinen Reynoldszahlen (Re < 10'00O) strömungs-mechanisch bedingte Messwertabweichungen, die durch Anliegen der Strömung an das im Bereich der Ultraschallsensoren verformte Messrohr oder durch Verwirbelungen des Messmediums in den Hohlräumen zwischen den Ultraschallsensoren und der Innenwand des Messrohres verursacht werden, minimiert sind.A significant advantage of the device according to the invention is the fact that even with inline flowmeters with small diameters (DN 15 "DN50) and small Reynolds numbers (Re <10'00O) flow-mechanically related measured value deviations caused by concern of the flow are caused to the deformed in the ultrasonic sensors or measuring tube by turbulence of the medium to be measured in the cavities between the ultrasonic sensors and the inner wall of the measuring tube are minimized.
[0019] Als weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind zu nennen:As further advantages of the solution according to the invention may be mentioned:
- Es ist keine "nachgelagerte" Korrektur der Messwerte (z.B. mittels eines Korrekturalgorithmus) notwendig, wodurch eine hohe Robustheit gegenüber gestörten Anströmungen gewährleistet wird;No "downstream" correction of the measured values (for example by means of a correction algorithm) is necessary, whereby a high degree of robustness against disturbed flows is ensured;
- Es tritt keine Abschwächung des Nutzsignals auf;- There is no attenuation of the useful signal;
- Es zeigt sich kein nennenswerter zusätzlicher Druckverlust;- There is no significant additional pressure loss;
- Es müssen keine Einschränkung hinsichtlich der möglichen Applikationen in Kauf genommen werden;- There is no restriction on the possible applications to be accepted;
- Im Falle der Realisierung als Gussteil treten keine zusätzlichen Kosten auf. [0020]- In the case of realization as a casting no additional costs occur. [0020]
[0021] Insbesondere handelt es sich übrigens bei den Verformungen um Aussparungen bzw. Vertiefungen in der Wand des Messrohres. Diese Aussparungen sind so bemessen, dass Messwertabweichungen über den gewünschten Reynoldszahl- Messbereich entweder für jeden einzelnen Schallpfad minimiert werden, oder aber die Minimierung kommt durch Verrechnung der einzelnen Schallpfade miteinander zustande.Incidentally, the deformations involve, in particular, recesses or depressions in the wall of the measuring tube. These recesses are dimensioned such that measured value deviations over the desired Reynolds number measurement range are minimized either for each individual sound path, or else the minimization comes about by offsetting the individual sound paths conditions.
[0022] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Verformungen im wesentlichen im Bereich zwischen dem der Innenwand des Messrohres zugewandten Endbereich des zumindest einen Ultraschallsensors und der Innenwand des Messrohres so ausgestaltet sind, dass Strömungskomponenten, die von der zur Längsachse des Mess-rohres parallelen Strömungsrichtung abweichen, sich entlang des Messpfades zumindest näherungsweise kompensieren und/oder aus dem Messpfad zumindest näherungsweise heraus verlagert sind.According to a preferred embodiment of the device according to the invention it is provided that the deformations are substantially configured in the region between the end of the inner tube of the measuring tube end of the at least one ultrasonic sensor and the inner wall of the measuring tube so that flow components that from the longitudinal axis of Diverge measuring tube parallel flow direction, at least approximately compensate along the measurement path and / or are at least approximately displaced out of the measuring path.
[0023] Insbesondere beruht die Erfindung darauf, durch gezielte geometrische Veränderungen / Veränderung bzw. Verformung / Verformungen der Innenwand des Messrohres in der näheren Umgebung des mit Messmedium angefüllten Hohlraumes die Strömung des Messmediums so zu beeinflussen,In particular, the invention is based on targeted by specific geometric changes / change or deformation / deformation of the inner wall of the measuring tube in the vicinity of the cavity filled with the measuring medium to influence the flow of the measuring medium so
- dass sich entweder die y-Geschwindigkeitskomponenten entlang der Schallpfade der Ultraschall-Messsignale in ihrer Summe weitgehend aufheben,that either the y-velocity components along the sound paths of the ultrasonic measurement signals largely cancel each other out,
- oder dass die Strömungsbereiche mit für die Messung relevanten y- Komponenten so verschoben werden, dass sie außerhalb des Schallpfads zu liegen kommen,- Or that the flow areas are shifted with relevant for the measurement y components so that they come to lie outside the sound path,
- oder dass eine Kombination aus beiden zuvor genannten Methoden die gewünschte Minimierung der Messwertabweichung erbringt.- or that a combination of the two methods mentioned above provides the desired minimization of the measured value deviation.
[0024] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Verformung bzw. sind die Verformungen so ausgeführt, dass im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors keine schmalen Spalte auftreten. Dies stellt einen besonderen Vorteil hinsichtlich der Vermeidung von Ablagerungen und der Möglichkeit zur rückstandsfreien Reinigung des durchströmten Messgerätbereichs dar, was insbesondere in der Lebensmittelindustrie gefordert wird.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, the deformation or the deformations are designed so that no narrow gaps occur in the region of the defined sensor position of the ultrasonic sensor and / or in the region of the sound path of the ultrasonic measurement signals of the at least one ultrasonic sensor. This represents a particular advantage with regard to the prevention of deposits and the possibility of residue-free cleaning of the flowed through meter range, which is required in particular in the food industry.
[0025] Weiterhin ist vorgesehen, dass es sich bei der zumindest einen Verformung derFurthermore, it is provided that it is at the at least one deformation of
Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres um eine den Querschnitt der Rohrleitung bzw. des Messrohres vergrößernde Vertiefung handelt. Allerdings kann es sich bei der Verformung je nach Ausführungsform auch um eine in den Innenraum des Messrohres hineinragende Erhebung handeln.Wall of the pipe or the measuring tube is a the cross section of the pipe or the measuring tube enlarging depression. However, depending on the embodiment, the deformation may also be a projection projecting into the interior of the measuring tube.
[0026] Als besonders vorteilhaft hat es sich in Verbindung mit der erfindungs-gemäßenIt has been found to be particularly advantageous in conjunction with the invention
Vorrichtung erwiesen, wenn die Verformung / die Verformungen bzw. die Vertiefung / die Vertiefungen in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres in Strömungsrichtung des Messmediums flach ansteigend bzw. flach abfallend ausgestaltet ist / sind. Durch den flachen Anstieg bzw. Abfall wird eine Strömungsablösung bei zu- nehmender Reynoldszahl vermieden, wodurch über einen sehr großen Reynolds- zahlbereich gleich bleibende Strömungsbedingungen an den Ultraschallsensoren und im Schallpfad gewährleistet sind.Device proven if the deformation / deformations or the depression / depressions in the wall of the pipe or the measuring tube in the flow direction of the measuring medium is designed to be flat rising or flat sloping / are. Due to the shallow rise or fall, a flow separation at As a result, a constant Reynolds number is avoided, which ensures constant flow conditions at the ultrasonic sensors and in the sound path over a very large Reynolds number range.
[0027] Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen, wenn mehrere Ultraschallsensoren, die Ultraschall- Messsignale auf unterschiedlichen Schallpfaden aussenden und/oder empfangen, im Bereich einer Vertiefung angeordnet sind. Dies dient einerseits der oben erwähnten Vermeidung von kleinen Spalten, und erleichtert andererseits die Messrohrfertigung, z.B. als Gussteil, bei kleinen Nennweiten.It is considered particularly advantageous in connection with the device according to the invention if a plurality of ultrasonic sensors which emit and / or receive ultrasonic measurement signals on different sound paths are arranged in the region of a depression. On the one hand, this serves to avoid the above-mentioned avoidance of small gaps, and on the other hand facilitates the manufacture of measuring tubes, e.g. as a casting, with small nominal diameters.
[0028] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zumindest ein Ultraschallsensor so in einer Bohrung positioniert und/ oder so ausgestaltet ist, dass er in den Innenraum des Messrohres hineinragt. Hierdurch beeinflusst er gleichfalls das Strömungsverhalten des Messmediums vorteilhaft hinsichtlich einer Linearisierung der Messcharakteristik für niedrige Reynoldszahlen, oder aber er beeinflusst es in Verbindung mit zumindest einer Verformung, die in seiner Nachbarschaft zu finden ist.According to a preferred embodiment of the device according to the invention it is provided that at least one ultrasonic sensor is positioned in a bore and / or designed so that it protrudes into the interior of the measuring tube. As a result, it also advantageously influences the flow behavior of the measurement medium with regard to a linearization of the measurement characteristic for low Reynolds numbers, or it influences it in conjunction with at least one deformation which can be found in its vicinity.
[0029] Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, kann es sich bei dem Durchfluss- messgerät um ein Clamp-On Durchflussmessgerät oder um ein Inline - Durchflussmessgerät handeln. Das Clamp-On Durchflussmessgerät oder das Inline- Durchflussmessgerät ermittelt die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums entweder nach einem Schallmitführungsverfahren, insbesondere nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip, oder nach einem Dopplerverfahren.As already mentioned above, the flowmeter may be a clamp-on flowmeter or an inline flowmeter. The clamp-on flowmeter or the inline flowmeter determines the flow velocity of the measuring medium either after a sound carry-on method, in particular according to the transit time difference principle, or after a Doppler method.
[0030] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Messrohr bzw. der den Ultraschallsensor bzw. die Ultraschallsensoren tragende Teilabschnitt der Rohrleitung als Gussteil gefertigt ist. Das Gussteil selbst besteht entweder aus Metall oder aus Kunststoff.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the measuring tube or the ultrasonic sensor or the ultrasonic sensors supporting portion of the pipe is made as a casting. The casting itself is made of either metal or plastic.
[0031] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
[0032] Fig. Ia: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,1a is a perspective view of a cut-measuring tube according to a first embodiment of the device according to the invention,
[0033] Fig. Ib: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. Ic,1b shows a longitudinal section according to the marking A-A in Fig. Ic,
[0034] Fig. Ic: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. Ib,1c: a cross section according to the marking B-B in Fig. Ib,
[0035] Fig. 2a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,2a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a second embodiment of the device according to the invention,
[0036] Fig. 2b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 2c,2b shows a longitudinal section according to the marking A-A in Fig. 2c,
[0037] Fig. 2c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 2b,FIG. 2c shows a cross section according to the marking B-B in FIG. 2b, FIG.
[0038][0038]
[0039] Fig. 3a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0040] Fig. 3b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 3c,3a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a third embodiment of the device according to the invention, 3b shows a longitudinal section according to the marking AA in Fig. 3c,
[0041] Fig. 3c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 3b,FIG. 3c shows a cross section according to the marking B-B in FIG. 3b, FIG.
[0042] Fig. 4a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0043] Fig. 4b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 4c, [0044] Fig. 4c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 4b, [0045] Fig. 5a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer fünften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0046] Fig. 5b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 5c, [0047] Fig. 5c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 5b, [0048] Fig. 6a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer sechsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0049] Fig. 6b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 6c, [0050] Fig. 6c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 6b, [0051] Fig. 7a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer siebenten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0052] Fig. 7b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 7c, [0053] Fig. 7c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 7b, [0054] Fig. 8a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer achten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0055] Fig. 8b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 8c, [0056] Fig. 8c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 8b, [0057] Fig. 9a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer neunten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0058] Fig. 9b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 9c, [0059] Fig. 9c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 9b, [0060] Fig. 10a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0061] Fig. 10b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 10d, [0062] Fig. 10c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 10d, [0063] Fig. 10d: eine Draufsicht auf das Messrohr gemäß der Kennzeichnung C in Fig.4a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a fourth embodiment of the device according to the invention, [0043] FIG. 4b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 4c, [0044] FIG. 4c shows a cross-section according to FIG 5 a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a fifth embodiment of the device according to the invention, FIG. 5 b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 5 c, [0047] FIG 5c: a cross section according to the marking BB in FIG. 5b, [0048] FIG. 6a: a perspective view of a cut measuring tube according to a sixth embodiment of the device according to the invention, [0049] FIG. 6b: a longitudinal section according to the marking AA in FIG Fig. 6c, Fig. 6c: a cross section according to the marking BB in Fig. 6b, Fig. 7a: a perspective view of a cut measuring tube g 7b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 7c, [0053] FIG. 7c shows a cross section according to the marking BB in FIG. 7b, FIG. 8a. [0054] FIG 8: shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 8c, [0056] FIG. 8c shows a cross section according to the marking BB in FIG. 8b 9a shows a perspective view of a cut-open measuring tube according to a ninth embodiment of the device according to the invention, [0058] FIG. 9b shows a longitudinal section according to the marking AA in FIG. 9c, [0059] FIG. 9c shows a cross-section according to FIG the marking BB in Fig. 9b, Fig. 10a: a perspective view of a cut measuring tube according to a preferred embodiment of the device according to the invention, [0061 10b: a longitudinal section according to the marking BB in FIG. 10d, [0062] FIG. 10c: a cross section according to the marking AA in FIG. 10d, [0063] FIG. 10d: a top view of the measuring tube according to the marking C. FIG in Fig.
10a, [0064] Fig. I Ia: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der als10a, [0064] FIG. 1a: a schematic representation of a first embodiment of the invention as FIG
Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0065] Fig. 1 Ib: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der alsClamp-on flowmeter designed inventive device, Fig. 1 Ib: a schematic representation of a second embodiment of the as
Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0066] Fig. 1 Ic: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer alsClamp-on flowmeter designed inventive device, Fig. 1 Ic: a schematic representation of a third embodiment of a as
Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung, [0067] Fig. 12a: eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei Schallpfaden undClamp-on flow meter designed device according to the invention, Fig. 12a: a schematic representation of the measurement characteristic of a conventional ultrasonic flowmeter with three sound paths and
[0068] Fig. 12b: eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei Schallpfaden.12b: a schematic representation of the measurement characteristic of an ultrasonic flowmeter according to the invention with three sound paths.
[0069] In den Figuren Fig. 1 bis Fig. 9 sind schematische Darstellungen von neun vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Inline-Durchfluss-messgeräts 10 zu sehen. Die gezeigten Durchflussmessgeräte 10 weisen jeweils drei Messkanäle bzw. Schallpfade auf. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des Volumen- oder Massedurchflusses über das Laufzeit-differenzverfahren. Prinzipiell ist die Erfindung aber bei jedem Ultraschall-Durchflussmessgerät 9, 10 einsetzbar - völlig unabhängig von dem gewählten Mess- oder Auswerteverfahren. Obwohl nachfolgend ausschließlich Durchflussmessgeräte mit zumindest zwei Ultraschallsensoren beschrieben werden, lässt sich auch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 9, 10 mit nur einem Ultraschallsensor 7 bzw. einem Schallpfad mit den optimierten Sensortaschen ausgestalten.In the figures Fig. 1 to Fig. 9 are schematic representations of nine advantageous embodiments of the in-line flowmeter 10 according to the invention can be seen. The flowmeters 10 shown each have three measuring channels or sound paths. The determination of the volume or mass flow preferably takes place via the transit time difference method. In principle, however, the invention can be used in any ultrasonic flowmeter 9, 10 - completely independent of the selected measurement or evaluation. Although only flow meters with at least two ultrasonic sensors are described below, an ultrasonic flow meter 9, 10 with only one ultrasonic sensor 7 or a sound path with the optimized sensor pockets can also be configured.
[0070] Die Figuren Fig. Ia bis Fig. 9a zeigen jeweils eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgestaltetes aufgeschnittenes Messrohr 1. An dem aufgeschnittenen Messrohr sind jeweils drei Bohrungen 2 mit zumindest teilweise optimierten Sensortaschen 4 zu sehen. Bei den gezeigten Beispielen sind die Verformungen 4 durchgehend als Vertiefungen 4 in der Wand des Messrohres 1 ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass infolge einer Vergrößerung des Durchmessers D des Messrohrs 1 die Verstopfungsgefahr in dem Messrohr 1 minimiert wird. Es versteht sich aber von selbst, dass zum Zwecke der Strömungsoptimierung die Verformungen 4 auch als Erhebungen ausgebildet sein können. Entsprechende Beispiele werden im Zusammenhang mit den Figuren Fig. 10, Fig. 11 noch ausführlich beschrieben.The FIGS. 1 a to 9 a each show a plan view of a cut-open measuring tube 1 configured according to the invention. Three holes 2 with at least partially optimized sensor pockets 4 can be seen on the cut-open measuring tube. In the examples shown, the deformations 4 are continuously formed as recesses 4 in the wall of the measuring tube 1. This has the advantage that due to an increase in the diameter D of the measuring tube 1, the risk of clogging in the measuring tube 1 is minimized. It goes without saying, however, that for the purpose of flow optimization, the deformations 4 can also be formed as elevations. Corresponding examples will be described in detail in connection with FIGS. 10, 11.
[0071] Die Figuren Fig. Ib bis Fig. 9b zeigen jeweils einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in den Figuren Fig. Ic bis Fig.9c. Diese Längsschnitte lassen sehr deutlich die Formgebung der Sensortasche 4 bzw. der Sensortaschen 4 erkennen. In den Figuren Fig. Ic bis Fig. 9c ist jeweils ein Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in den Figuren Fig. Ib bis Fig. 9b zu sehen.FIGS. 1b to 9b each show a longitudinal section according to the marking A-A in the FIGS. 1c to 9c. These longitudinal sections clearly show the shape of the sensor pocket 4 or the sensor pockets 4. FIGS. 1c to 9c each show a cross section according to the marking B-B in FIGS. 1b to 9b.
[0072] Die einzelnen in den Figuren Fig. 1 bis Fig. 9 dargestellten Ausführungs-formen unterscheiden sich im wesentlichen hinsichtlich des Designs der Verformung 4 bzw. der Sensortasche 4 und deren Anordnung und/oder Ausgestaltung relativ zu dem bzw. den Ultraschallsensoren 7.The individual embodiments shown in FIGS. 1 to 9 differ essentially with respect to the design of the deformation 4 or the sensor pocket 4 and their arrangement and / or configuration relative to the ultrasonic sensor (s) 7.
[0073] Die Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen Ausgestaltungen, wobei jeweils eine Sensortasche 4 einem Ultraschallsensor 7 zugeordnet ist. Bei der in den Figuren Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Bohrung 2 zur Aufnahme eines Ultraschallsensors 7 im Randbereich der Verformung 4. Gleiches gilt für die Anordnung der Bohrung 2 zur Aufnahme des Ultraschallsensors 7 bei der in den Figuren Fig. 2 gezeigten Variante, allerdings hat hier die Sensortasche 4 eine größere Breite. Bei der in den Figuren Fig. 3 skizzierten Ausführungsform reichen die Verformungen 4 tiefer in die Innenwand des Messrohres 1 hinein als bei den beiden vorhergehenden Lösungen. Im Falle der in den Figuren Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung liegt die Bohrung 2 innerhalb der Sensortasche 4. Eine solche Ausgestaltung der Verformung im Umfeld des Ultraschallsensors dient beispielsweise zur gezielten Umspülung des Ultraschallsensors, die Ablagerungen vermeiden hilft.FIGS. 1 to 4 show embodiments, wherein a sensor pocket 4 is assigned to an ultrasonic sensor 7 in each case. In the embodiment of the device according to the invention shown in the figures 1, the bore 2 for receiving an ultrasonic sensor 7 is located in the edge region of the deformation 4. The same applies to the arrangement of the bore 2 for receiving the ultrasonic sensor 7 in the The figures shown in Fig. 2 variant, however, here has the sensor pocket 4 has a greater width. In the embodiment sketched in FIGS. 3, the deformations 4 extend deeper into the inner wall of the measuring tube 1 than in the two preceding solutions. In the case of the embodiment shown in FIGS. 4, the bore 2 lies within the sensor pocket 4. Such an embodiment of the deformation in the vicinity of the ultrasonic sensor is used, for example, for targeted flushing of the ultrasonic sensor, which helps prevent deposits.
[0074] Bei der in den Figuren Fig. 5 gezeigten Variante sind jeweils zwei Bohrungen 2 in einer entsprechend ausgedehnten Sensortasche 4 angeordnet. Die Figuren Fig. 6, Fig. 7 skizzieren Ausgestaltungen, bei denen drei Bohrungen 2 in einer Sensortasche 4 platziert sind.In the variant shown in the figures Fig. 5 are each two holes 2 arranged in a correspondingly extended sensor pocket 4. The figures Fig. 6, Fig. 7 sketch embodiments in which three holes 2 are placed in a sensor pocket 4.
[0075] Die Figuren Fig. 8 und Fig. 9 weisen ebenfalls drei Schallpfade auf. In Fig. 8 ist ein sehr flach verlaufender Anstieg bzw. Abfall der Vertiefung 4 dargestellt. Bekannterweise wird bei einem Winkel 12 (der noch in Fig. 8 eingefügt werden sollte) zwischen Messrohrwand und Aussparung < 6° über alle Reynoldszahlen eine Strömungsablösung vermieden. Somit ist mit Hilfe einer dieser Vorgabe genügenden Verformung 4 ein im Bereich des Schallpfades über den gesamten Reynoldszah- lenbereich gleich bleibende Strömungsverlauf erreichbar, der auf diese Weise eine lineare, von der Reynoldszahl unabhängige Messcharakteristik nach sich zieht.FIGS. 8 and 9 likewise have three sound paths. In Fig. 8 is a very flat extending increase or decrease of the recess 4 is shown. As is known, at an angle 12 (which should still be inserted in FIG. 8) flow separation is avoided between the measuring tube wall and the recess <6 ° across all Reynolds numbers. Thus, with the aid of a deformation 4 which satisfies this requirement, a flow pattern which remains constant in the area of the sound path over the entire Reynolds number range can be achieved, which in this way leads to a linear measurement characteristic which is independent of the Reynolds number.
[0076] Fig. 9 zeigt die gleiche Anordnung an Schallpfaden wie Fig. 8, jedoch ist hier nur eine Sensortasche 4 vorgesehen. Hierin wird verdeutlicht, dass für die eingangs beschriebene Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Verformungen 4 bereits die Formänderung in der näheren Umgebung eines Ultraschallsensors 7 ausreichend sein kann.Fig. 9 shows the same arrangement of sound paths as Fig. 8, but here only a sensor pocket 4 is provided. It is made clear here that for the initially described mode of action of the deformations 4 according to the invention, the change in shape in the immediate vicinity of an ultrasonic sensor 7 can already be sufficient.
[0077] In den Figuren Fg. 10 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung zu sehen, bei der die Verformung 4 bzw. die Verformungen 4 durch Komponenten der Sensortaschen 4 zustande kommen, wobei diese Komponenten in die Strömung hineinragen und damit diese auch beeinflussen. Insbesondere handelt es sich bei der in die Strömung hineinragenden Komponente um den Ultraschallsensor 7 selbst. Fig. 10a zeigt eine perspektivische Sicht auf ein aufgeschnittenes Messrohr 1. Fig. 10b zeigt einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 10d und Fig. 10c skizziert einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 10d. Fig. 10d ist eine Draufsicht auf das Messrohr 1 gemäß der Kennzeichnung C in Fig. 10a.10 shows a preferred embodiment of the device according to the invention, in which the deformation 4 or the deformations 4 come about through components of the sensor pockets 4, wherein these components protrude into the flow and thus also these influence. In particular, the component projecting into the flow is the ultrasonic sensor 7 itself. FIG. 10 a shows a perspective view of a cut-open measuring tube 1. FIG. 10 b shows a longitudinal section according to the marking BB in FIG. 10 d and FIG. 10 c outlines a Cross section according to the label AA in Fig. 10d. Fig. 10d is a plan view of the measuring tube 1 according to the marking C in Fig. 10a.
[0078] Fig. 1 Ia zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung. In den Bereichen, in denen die Ultraschallsensoren 7 von außen an der Wand des Messrohres 1 positionierbar sind, weist die Wand des Messrohres 1 geeignete Verformungen, hier Erhebungen 4a auf. Auf der Seite des Messrohres 1, auf der die beiden Ultraschallsensoren 7 aufgebracht werden, ist zwischen den beiden Positionsflächen 8 für die beiden Ultraschallsensoren 7 eine weitere Verformung 4b (Querschnittserweiterung) vorgesehen. Diese Querschnittserweiterung 4b ist in Verbindung mit den beiden Aussparungen 4a zur Positionierung der Ultraschallsensoren 7 so ausgestaltet, dass der Strömungsverlauf des Messmediums 5 in dem Messrohr 1 strömungsmechanisch in der gewünschten Art und Weise beeinflusst wird: Die Verformungen 4a, 4b sind derart, dass das Durchflussmessgerät 9 über einen ausgedehnten Reynoldszahlen-Bereich ein weitgehend lineares Verhalten aufweist.1 a shows a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention designed as a clamp-on flowmeter 9. In the areas in which the ultrasonic sensors 7 can be positioned on the wall of the measuring tube 1 from the outside, the wall of the measuring tube 1 has suitable deformations, in this case elevations 4a. On the side of the measuring tube 1, on which the two Ultrasonic sensors 7 are applied, a further deformation 4b (cross-sectional widening) is provided between the two position surfaces 8 for the two ultrasonic sensors 7. This cross-sectional widening 4b is designed in conjunction with the two recesses 4a for positioning the ultrasonic sensors 7 so that the flow path of the measuring medium 5 in the measuring tube 1 is fluidically influenced in the desired manner: The deformations 4a, 4b are such that the flow meter 9 has a largely linear behavior over an extended Reynolds number range.
[0079] Insbesondere ist bei dieser ersten Ausführungsform der Durchmesser D desIn particular, in this first embodiment, the diameter D of
Messrohres 1 im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale durch die drei Aussparungen 4a, 4b im oberen Bereich des Messrohres 1 vergrößert. Hierdurch wird in dem Messrohr 1 kein unerwünschter Druckabfall erzeugt. Darüber hinaus wird eine Verstopfungsgefahr in dem Messrohr 1, insbesondere bei kleinen Nennweiten DN und bei einem unreinen Messmedien 5, verringert.Measuring tube 1 in the region of the sound path of the ultrasonic measurement signals by the three recesses 4a, 4b in the upper region of the measuring tube 1 increases. As a result, no unwanted pressure drop is generated in the measuring tube 1. In addition, a risk of clogging in the measuring tube 1, in particular in the case of small nominal diameters DN and in the case of an impure measuring medium 5, is reduced.
[0080] In Fig. 1 Ib ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen. Hier ragen die als Positionierflächen 8 ausgebildeten Verformungen 4d, 4e für die beiden Ultraschallsensoren 7 in den Innenraum des Messrohres 1 hinein. Die dritte Verformung 4f, bei der es sich um eine Erhebung bzw. Ausbeulung des Messrohres 1 handelt, ist mittig zwischen den beiden Ultraschallsensoren 7 angeordnet.In Fig. 1 Ib is a schematic representation of a second embodiment of the invention designed as a clamp-on flow meter 9 device to see. Here, the deformations 4d, 4e designed as positioning surfaces 8 protrude into the interior of the measuring tube 1 for the two ultrasonic sensors 7. The third deformation 4f, which is an elevation or bulging of the measuring tube 1, is arranged centrally between the two ultrasonic sensors 7.
[0081] Fig. 1 Ic zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 mit zwei Ultraschallsensoren 7, die auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres 1 bzw. des Schallpfades angeordnet sind. Die Positionierflächen 8 sind an Aussparungen 4g, 4h des Messrohres 1 zu finden. Die den Durchmesser D des Messrohres 1 gleichfalls vergrößernde Verformung 4i schließt sich direkt an die als Positionierfläche 8 dienende Aussparungen 4h des unteren Ultraschallsensors 7 an.1 c shows a schematic representation of a third embodiment of a clamp-on flow meter 9 with two ultrasonic sensors 7, which are arranged on opposite sides of the measuring tube 1 and the sound path, respectively. The positioning surfaces 8 can be found at recesses 4g, 4h of the measuring tube 1. The diameter D of the measuring tube 1 likewise increasing deformation 4i joins directly to serving as a positioning surface 8 recesses 4h of the lower ultrasonic sensor 7 at.
[0082] Fig. 12a zeigt eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines Ul- traschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 mit drei Schallpfaden nach dem Stand der Technik. In Fig. 12b ist eine schematische Darstellung der Messcharakteristik des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9, 10 mit drei Schallpfaden gezeigt. Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, kommt es in den Hohlräumen 4 der Bohrung 2 zwischen Abstrahlfläche des Ultraschallsensors 7 und Innenwand des Messrohres 1 zu Strömungszuständen, die die Messcharakteristik eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 nicht-linear beeinflussen. Insbesondere zeigt sich die Verschlechterung der Messcharakteristik im Falle einer laminaren Strömung des Messmediums 5 in dem Messrohr 1 und bei relativ kleinen Nennweiten DN des Messrohres 1. Versuche haben ergeben, dass sich bereits ein Verhältnis des Durchmessers D SE der Bohrung b 2 zum Innendurchmesser D M des Messrohres 1 g brößer als 0.2 nachteilig auf die Messcharakteristik des Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 auswirkt.FIG. 12a shows a schematic illustration of the measurement characteristic of an ultrasonic flowmeter 9; FIG. 10 with three sound paths according to the prior art. FIG. 12b shows a schematic illustration of the measuring characteristic of the ultrasonic flowmeter 9, 10 according to the invention with three sound paths. As already described above, there are flow states in the cavities 4 of the bore 2 between the emission surface of the ultrasonic sensor 7 and the inner wall of the measuring tube 1, which determine the measuring characteristic of an ultrasonic flowmeter 9; 10 non-linear influence. In particular, the deterioration of the measuring characteristic in the case of a laminar flow of the measuring medium 5 in the measuring tube 1 and at relatively small nominal diameters DN of the Measuring tube 1. Experiments have shown that already a ratio of the diameter D SE of the bore b 2 to the inner diameter DM of the measuring tube 1 g b rößer than 0.2 adversely affect the measuring characteristic of the ultrasonic flowmeter 9; 10 effects.
[0083][0083]
[0084] In beiden Figuren Fig. 12a, Fig. 12b sind die in zwei Schallpfaden - mittig und außermittig - ermittelten Messwertabweichungen sowie die Gesamt- Messwertabweichung in den beiden Schallpfaden gegen die Reynoldszahl aufgetragen. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung - ohne erfindungsgemäß ausgestattete Sensortaschen 4 - weichen die über alle drei Schallpfade gemittelten Messwerte für Re < 10'0OO deutlich nach oben ab, d.h. das Durchflussmessgerät 9, 10 zeigt in diesem Reynoldszahlenbereich eine nicht-lineare Messcharakteristik. Eine Korrektur dieser nicht- linearen Messcharakteristik ist bislang nur möglich über die Bestimmung der aktuellen Reynoldszahl des Messmediums 5 und deren signalverar- beitungsseitigen Verrechnung.In both Figures 12a, 12b, the measured value deviations determined in two sound paths-centered and off-center-as well as the total measured value deviation in the two sound paths are plotted against the Reynolds number. In the solution known from the prior art-without sensor pockets 4 equipped according to the invention-the measured values for Re <10'0OO, which are averaged over all three sound paths, deviate significantly upwards, ie. the flow meter 9, 10 shows in this Reynoldszahlenbereich a non-linear measurement characteristic. A correction of this non-linear measurement characteristic has hitherto only been possible via the determination of the current Reynolds number of the measuring medium 5 and its signal processing-side compensation.
[0085] Der Grund für das Ansteigen der Messwertabweichungen zu kleinenThe reason for the increase in the measured value deviations too small
Reynoldszahlen hin liegt in der Beeinflussung der Strömung des Mess-mediums 3 im Bereich der Sensortaschen 4. Ein Wesensmerkmal laminarer Strömungen ist die Eigenschaft, sich bei geringer werdender Reynoldszahl immer stärker an die Wand des Messrohres 1 anzulegen, d.h. immer stärker den Unregelmäßigkeiten an der Innenwand des Messrohres 1 zu folgen. Hierdurch kommt es durch die Sensortaschen im Bereich des Schallpfades zu Querkomponenten, die sich auf beiden Seiten der gegenüberliegenden Ultraschallsensoren 7 gleichgerichtet den Hauptströmungskomponenten überlagern, und damit zu einem zusätzlichen Anteil führen, der sich als zunehmende Messwertabweichung bemerkbar macht.Reynolds numbers is due to the influence of the flow of the measuring medium 3 in the region of the sensor pockets 4. An essential feature of laminar flows is the property of increasing the Reynolds number to be applied to the wall of the measuring tube 1, i. increasingly to follow the irregularities on the inner wall of the measuring tube 1. As a result, the sensor pockets in the area of the sound path lead to transverse components, which are rectified on both sides of the opposite ultrasonic sensors 7, superimposing the main flow components, and thus lead to an additional proportion, which manifests itself as an increasing measurement value deviation.
[0086] Die Messcharakteristik eines mit optimierten Sensortaschen 4 versehenen Durch- flussmessgeräts 9; 10 mit einer kleinen Nennweite, z.B. DN25, ist in Fig. 12b dargestellt. Insbesondere bei Re < 1'0OO zeigt sich im Vergleich zu der in Fig. 12a dargestellten Messcharakteristik ein deutlich abweichender Verlauf aller drei Schallpfade: Anstatt anzusteigen, verläuft der mittige Messpfad bis Re - 100 horizontal, während die beiden anderen Schallpfade ab Re < 400 eine abnehmende Messcharakteristik zeigen. Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Übergang von einem laminaren auf ein turbulentes Strömungsprofil auf allen Schallpfaden als deutlicher Sprung in der Messwertabweichung zu erkennen ist; hingegen zeigt sich bei der Gesamtbetrachtung über alle Schallpfade im Falle der optimierten Sensortaschen 4 in der Summe eine stetige und linear verlaufende Messcharakteristik. Weiterhin sorgen die optimierten Sensortaschen 4 auch in dem kritischen Übergangsbereich bis Re = 10'0OO und weit darüber hinaus für eine nahezu ideal lineare Mess-charakteristik des Durch- flussmessgeräts 9, 10. Demgegenüber zeigen konventionelle Ultraschall- Durchflussmessgeräte üblicherweise für Re < 10'0OO bereits deutliche Messwertabweichungen.The measurement characteristic of a flow meter 9 provided with optimized sensor pockets 4; 10 with a small nominal diameter, eg DN25, is shown in FIG. 12b. In particular, in the case of Re <100 ', in comparison with the measurement characteristic illustrated in FIG. 12a, a distinctly different course of all three sound paths is shown: instead of increasing, the central measurement path runs horizontally until Re - 100, while the two other sound paths start at Re <400 show decreasing measuring characteristic. Particularly noteworthy is the fact that the transition from a laminar to a turbulent flow profile on all sound paths can be seen as a significant jump in the measured value deviation; on the other hand, in the overall consideration of all sound paths, in the case of the optimized sensor pockets 4, the result is a continuous and linear measuring characteristic. Furthermore, the optimized sensor pockets 4 also ensure, in the critical transition region up to Re = 10'000 and, moreover, an almost ideally linear measuring characteristic of the through-hole. flowmeter 9, 10. In contrast, conventional ultrasonic flowmeters usually already for Re <10'0OO already significant measured value deviations.
[0087] Somit lässt sich ausschließlich durch den Einsatz optimierter Sensortaschen 4 und durch konstant gewichtetes Aufsummieren der einzelnen Messwerte ein Ultraschall- Durchflussmessgerät 9, 10 realisieren, das innerhalb eines Bereichs Re min : Re max > l'OOO lediglich eine Messunsicherheit von + 0.5% aufweist. Insbesondere die bei Reynoldszahlen < 10'0OO gewährleistete Linearität ermöglicht ein sehr breites Anwendungsspektrum hinsichtlich der zu messenden Fluide. Durch Erreichen dieser Eigenschaft mittels strömungs-mechanischer Optimierung und ohne nachgelagerte Korrektur der Messwerte resultiert daraus ein Messsystem, das diese Eigenschaft auch bei ungünstigen Anströmverhältnissen beibehält. Darüber hinaus lässt sich die Robustheit durch gezielte Umströmung/Spülung der Ultraschallsensor-Messstellen weiter steigern.Thus, an ultrasound flow meter 9, 10 can be realized exclusively by the use of optimized sensor pockets 4 and by constantly weighted summation of the individual measured values, which within a range Re min: Re max> l'OOO only a measurement uncertainty of + 0.5% having. In particular, the linearity guaranteed at Reynolds numbers <10'0OO allows a very wide range of applications with regard to the fluids to be measured. By achieving this property by means of flow-mechanical optimization and without subsequent correction of the measured values, this results in a measuring system that retains this property even under unfavorable flow conditions. In addition, the robustness can be further increased by targeted flow around / flushing of the ultrasonic sensor measuring points.
[0088] Bezugszeichenliste[0088] List of Reference Numerals
[0089] 1 Messrohr bzw. Wand des Messrohres[0089] 1 measuring tube or wall of the measuring tube
[0090] 2 Bohrung[0090] 2 bore
[0091] 3 Verformungen3 Deformations
[0092] 4 Verformung4 deformation
[0093] 5 Messmedium[0093] 5 measuring medium
[0094] 6 Längsachse[0094] 6 longitudinal axis
[0095] 7 Ultraschallsensor[0095] 7 Ultrasonic sensor
[0096] 8 Positionierfläche[0096] 8 positioning surface
[0097] 9 Clamp-On Durchflussmessgerät9 clamp-on flowmeter
[0098] 10 Inline-Durchflussmessgerät[0098] 10 inline flowmeter
[0099] 11 Regel-/Auswerteeinheit[0099] 11 control / evaluation unit
[0100] 12 Winkel zwischen Messrohrwand und Verformung 12 Angle between measuring tube wall and deformation

Claims

Ansprücheclaims
[0001] 1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder1. Device for determining and / or monitoring of the volume and / or
Massedurchflusses eines Messmediums (3) durch eine Rohrleitung oder ein Messrohr (1), wobei das Messmedium (3) das Messrohr (1) im wesentlichen in einer Strömungsrichtung parallel zur Längsachse (6) des Messrohres (1) durchströmt, mit zumindest einem Ultraschallsensor (7), der Ultraschall- Messsignale auf zumindest einem definierten Schallpfad aussendet und/oder empfängt, wobei der zumindest eine Ultraschallsensor (7) in der Wand des Messrohres (1) oder an der Außenwand der Rohrleitung an einer definierten Sensor-position platziert ist, und mit einer Regel-/ Auswerteeinheit (11), die den Volumen- und/oder den Masse-durchfluss des Messmediums (3) durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr (1) anhand der Ultraschall-Messsignale ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors (7) und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschall-sensors (7) eine Verformung (4) bzw. Verformungen aufweist, die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist bzw. sind, dass die in dem Schallpfad gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) bzw. - im Falle von mehreren Ultraschallsensoren (7) - die in den Schallpfaden gemessenen und/oder die miteinander verrechneten Strömungsgeschwindigkeiten des Messmediums (3) zumindest näherungsweise der mittleren über die Fläche der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) gemittelten Strömungsgeschwindig-keit des Messmediums (3) entspricht.Mass flow of a measuring medium (3) through a pipe or a measuring tube (1), wherein the measuring medium (3) flows through the measuring tube (1) substantially in a flow direction parallel to the longitudinal axis (6) of the measuring tube (1), with at least one ultrasonic sensor ( 7), which emits and / or receives ultrasonic measurement signals on at least one defined sound path, wherein the at least one ultrasonic sensor (7) is placed in the wall of the measuring tube (1) or on the outer wall of the pipeline at a defined sensor position, and with a control / evaluation unit (11), which determines the volume and / or mass flow of the measured medium (3) through the pipe or through the measuring tube (1) based on the ultrasonic measurement signals, characterized in that the wall the pipeline or the measuring tube (1) in the region of the defined sensor position of the ultrasound sensor (7) and / or in the region of the sound path of the ultrasound measuring signals of the at least one ultrasound ensors (7) has a deformation (4) or deformations which are configured and / or arranged such that the flow velocity of the measuring medium (3) measured in the sound path or - in the case of a plurality of ultrasonic sensors (7) - the measured in the sound paths and / or the calculated flow velocities of the medium to be measured (3) at least approximately the mean over the surface of the pipe or the measuring tube (1) averaged flow velocity of the measuring medium (3).
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the
Verformung (4) bzw. die Verformungen so ausgeführt sind, dass im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors (7) und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors (7) keine schmalen Spalte auftreten.Deformation (4) or the deformations are carried out so that no narrow gaps occur in the region of the defined sensor position of the ultrasonic sensor (7) and / or in the region of the sound path of the ultrasonic measuring signals of the at least one ultrasonic sensor (7).
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zumindest einen Verformung (4) in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) um eine den Querschnitt der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) vergrößernde Vertiefung handelt.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that it is in the at least one deformation (4) in the wall of the pipe or of the measuring tube (1) to a cross-section of the pipe or the measuring tube (1 ) enlarging depression.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the
Verformung (4) / die Verformungen (4) bzw. die Vertiefung / die Vertiefungen in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) in Strömungsrichtung des Messmediums (3) flach ansteigend bzw. flach abfallend ausgestaltet ist / sind.Deformation (4) / the deformations (4) or the depression (s) in the wall of the pipeline or of the measuring tube (1) in the direction of flow of the measuring medium (3) is / are flat rising or falling flat.
[0005] 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet dass mehrere Ultraschallsensoren (7), die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Schallpfaden aussenden und/oder empfangen, im Bereich einer Vertiefung angeordnet sind.5. Apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a plurality of ultrasonic sensors (7), which emit and / or receive ultrasonic measurement signals on different sound paths, are arranged in the region of a depression.
[0006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet dass zumindest ein Ultraschallsensor (7) so in einer Bohrung (2) positioniert ist, dass er in den Innenraum des Messrohres 1 hineinragt und das Strömungsverhalten des Messmediums (5) beeinflusst oder in Verbindung mit der Verformung (4) bzw. den Verformungen (4) beeinflusst.6. Apparatus according to claim 1 or 5, characterized in that at least one ultrasonic sensor (7) is positioned in a bore (2) that it protrudes into the interior of the measuring tube 1 and the flow behavior of the measuring medium (5) influenced or influenced in connection with the deformation (4) or the deformations (4).
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei dem Durchflussmessgerät um ein Clamp-On Durchflussmessgerät (9) oder um ein Inline-Durchflussmessgerät (10) handelt.7. The device according to claim 1, 5 or 6, characterized in that it is the flowmeter is a clamp-on flowmeter (9) or an inline flowmeter (10).
[0008] 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet wobei das Clamp-On Durchflussmessgerät (9) oder das Inline-Durchflussmessgerät (10) die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) nach einem Schallmitführungsverfahren oder nach einem Dopplerverfahren ermitteln.8. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the clamp-on flowmeter (9) or the in-line flowmeter (10) determine the flow velocity of the measuring medium (3) according to a Schallmitführungsverfahren or after a Dopplerverfahren.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass das9. Apparatus according to claim 1 or 8, characterized in that the
Messrohr (1) bzw. der den Ultraschallsensor (7) bzw. die Ultraschallsensoren (7) tragende Teilabschnitt der Rohrleitung als Gussteil gefertigt ist.Measuring tube (1) or the part of the pipe carrying the ultrasonic sensor (7) or the ultrasonic sensors (7) is made as a casting.
[0010] 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei der Rohrleitung (1) um eine Leitung mit beliebiger Querschnittsform handelt. 10. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that it is at the pipeline (1) is a conduit of any cross-sectional shape.
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