WO2005031369A2 - Ultraschallsensor und verfahren zur messung von strömungsgeschwindigkeiten - Google Patents

Ultraschallsensor und verfahren zur messung von strömungsgeschwindigkeiten Download PDF

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WO2005031369A2
WO2005031369A2 PCT/EP2004/052121 EP2004052121W WO2005031369A2 WO 2005031369 A2 WO2005031369 A2 WO 2005031369A2 EP 2004052121 W EP2004052121 W EP 2004052121W WO 2005031369 A2 WO2005031369 A2 WO 2005031369A2
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flow
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Tobias Lang
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • 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

  • volumetric measuring methods To determine the liquid throughput through a pipe or a channel, i.a. volumetric measuring methods used. In the volumetric measuring method, the flow velocity is measured and the volume flow is determined using the pipe or duct cross-section. One way to measure the flow rate without disturbing the flow is to use ultrasonic flow meters.
  • Ultrasonic flowmeters currently in use generally include two ultrasonic transducers that send ultrasonic pulses to one another.
  • the ultrasonic transducers are arranged so that one pulse runs in the flow direction and the other pulse runs counter to the flow direction.
  • the flow speed can be determined from the transit time differences that occur due to the flow velocity of the flowing medium.
  • Such an ultrasonic flow meter which contains a first sensor and a second sensor, which are alternately controlled as transmitters or act as receivers, with the digitized received signals being correlated with one another by an evaluation computer after the transit time correlation process, is known from DE 198 15 199 AI ,
  • Ultrasonic flow meters can e.g. where volume flows through a pipe are to be quantitatively recorded as accurately as possible.
  • One possible application is e.g. the charge detection on internal combustion engines in order to supply the cylinders with the amount of fuel required for the operation of the internal combustion engine.
  • a disadvantage of the ultrasonic flowmeters known from the prior art is that two ultrasonic transducers are used, which alternately act as transmitters and receivers. work catcher. It is particularly important to ensure that one ultrasonic transducer always works as a transmitter while the other serves as a receiver.
  • the solution according to the invention for eliminating the disadvantages from the prior art provides that the arrangement of reflectors in the measuring channel extends the running time of the sensor signal to such an extent that a single ultrasonic transducer, which serves as a transmitter and receiver, is sufficient. Due to the limited directivity of the transducer, there is a natural opening angle for the radiation, which means that the ultrasonic pulse can take two different paths. Both ways can be separated by a panel that has two openings. The openings in the diaphragm are arranged so that the two paths of the ultrasonic signal match, but the signal runs in the opposite direction. This enables one signal to run with the flow and the other signal to run against the flow. The flow velocity can thus be determined from the difference in transit time of the two signals with a sufficiently high transit time or by an interference signal on the ultrasonic transducer.
  • the ultrasound waves are guided through at least two reflections in the flow channel.
  • the path of the sound waves can be set so that the same ultrasonic transducer can serve as a transmitter and receiver.
  • a better signal quality can be achieved by using more than two reflectors to extend the length of the primary reflection time of the ultrasonic pulses achieved by the multiple reflection to such an extent that the time between transmission and reception is greater than the ringing time of the ultrasonic transducer, even with smaller channel diameters becomes.
  • the interference of the two phase-shifted sound waves can be used to measure the flow velocities. Due to the multiple reflection, however, a complete temporal separation of the received signal pulses is also possible, as a result of which the flow velocities can be determined directly via runtime differences.
  • the asymmetry of the sound path allows an integrating measurement over the entire channel width.
  • the reflectors are preferably arranged such that the distance in the flow direction is as large as possible in comparison to the distance perpendicular to the flow direction.
  • the aperture optionally used to separate the paths of the ultrasonic signal can also serve as a wall of the flow channel.
  • the channel wall can be designed to reflect the sound waves so that it serves as a reflector.
  • the channel wall preferably forms a bulge. Another possibility is to arrange reflectors within the measuring channel.
  • the reflectors are preferably designed in such a way that the side that is not required for reflecting sound waves is aerodynamically shaped.
  • a further possibility for the aerodynamically favorable design of the reflectors is to apply a aerodynamically shaped profile made of a material with a sound impedance close to that of the fluid on the reflector. Spherical, parabolic or elliptical profiles are particularly suitable as aerodynamic profiles.
  • An advantageous embodiment of the reflectors is to design the reflectors in a concave mirror shape with a focusing effect.
  • an ultrasound pulse emitted by an ultrasound transducer in the form of a sound cone is conducted at the edges of the sound cone through at least two reflectors through a fluid flow and back to the ultrasound transducer.
  • the reflectors are arranged so that the sound waves simultaneously travel the same way in the opposite direction.
  • the sound waves are bundled through the use of reflectors in the form of concave mirrors. It is also possible to split the ultrasound pulse into two ways by using an aperture.
  • the flow velocity can then be determined from the travel time differences of the sound waves traveling in the opposite direction. Alternatively, the flow velocity can also be determined from the interference of the phase-shifted sound waves.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is suitable for measuring the flow rate both in liquids and in gases.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the ultrasonic flow meter according to the invention with two reflectors
  • Figure 2 is a schematic representation of the ultrasonic flow meter according to the invention with three reflectors.
  • FIG. 3.2 arrangement of the reflectors in a further embodiment
  • FIG. 4 measuring channel with reflectors arranged in the flow
  • Figure 5 shows a variant of an aperture with unlocked openings.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the ultrasonic flow meter according to the invention with two reflectors.
  • An ultrasonic flow meter 1 designed according to the invention comprises an ultrasonic transducer 2, which is arranged outside a measuring channel 3.
  • the cross section of the measuring channel 3 can take any corrective form. It is not necessary for the measuring channel to be closed.
  • the ultrasound transducer is arranged on the open side of an open channel flow.
  • the ultrasonic transducer 2 emits an ultrasonic pulse in the form of a sound cone 5.
  • reflectors 7, 8 are arranged which reflect the sound waves.
  • the first reflector 7 is arranged on the side of the flow that is positioned closer to the ultrasonic transducer 2.
  • the second reflector 8 is arranged on the side of the flow remote from the ultrasonic transducer 2.
  • the two reflectors 7, 8 are aligned in such a way that the sound waves reflected by the reflectors 7, 8 each strike the other reflector 7, 8 and are directed back to the ultrasound transducer 2 from there.
  • the path that the sound waves travel is identified by reference number 9.
  • the arrangement of the reflectors 7, 8 is such that the sound waves from Edge of the sound cone 4 is reflected in each case, is guided to the other reflector 7, 8 and from there back to the ultrasound transducer 2, the sound waves running in a first direction 10 and a second direction 11, which is exactly opposite to the first direction 10.
  • the reflectors 7, 8 In the arrangement of the reflectors 7, 8 shown in FIG. 1 within the flow of the fluid 4, the direction and speed profile of which is marked with the reference symbol 12, the flow through the reflectors 7, 8 is disturbed.
  • the reflectors 7, 8 can have an aerodynamic profile on the side that is not required for the reflection. This is preferably a hemispherical, parabolic or elliptical profile.
  • Another possibility of reducing a disturbance in the flow is to design the reflectors 7, 8 as bulges of the first channel wall 13 and second channel wall 14 of the measuring channel 3. In this case, the first channel wall 13 and second channel wall 14 themselves act as reflectors.
  • the ultrasound pulses After passing through the flowing fluid 4, the ultrasound pulses are superimposed in the ultrasound transducer 2 to form a resulting interference signal.
  • the amplitude of this interference signal depends directly on the phase difference between the two signal paths 10, 11 - in the direction of flow and counter to the direction of flow - and is a direct measure of the flow velocity.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an ultrasonic flow meter according to the invention with three reflectors.
  • the ultrasonic flow meter 1 according to the embodiment shown in FIG. 2 comprises the ultrasonic transducer 2, which is attached outside the measuring channel 3, through which the fluid 4 flows.
  • the fluid 4 can be liquid or gaseous.
  • an ultrasonic pulse is emitted by the ultrasonic transducer 2.
  • the path that the ultrasound pulse travels through the fluid 4 flowing through the measuring channel 3 is defined by an orifice 15, which in the embodiment variant according to FIG. 2 also forms the first channel wall 13.
  • the route is identified in FIG. 2 by reference number 9.
  • the ultrasonic pulse is diverted via the first reflector 7, the second reflector 8 and a third reflector 16 before it hits the ultrasonic transducer 2 again.
  • the path of the ultrasound pulse is determined by the corresponding arrangement of a first aperture 17 and a second aperture 18 of the aperture 13 and the reflectors 7, 8, 16.
  • the ultrasound pulse is emitted by the ultrasound transducer 2 in the form of a sound cone 5 with an emission angle identified by the reference number 19 or in the form of a double lobe characteristic 22 emitted.
  • the aperture 15 serves to generate directed ultrasound pulses from the sound cone 5.
  • the ultrasonic pulses run along the ultrasonic path 9, one pulse running in the first direction 10 and a second pulse in the second direction 11, which is opposite to the first direction 10. So that the flow of the fluid 4 in the measuring channel 3 is disturbed as little as possible, the reflectors 7, 8, 16 can be formed by the upper channel wall 13 and the lower channel wall 14.
  • a corresponding arrangement of the reflectors 7, 8, 16 can be achieved in that a bulge 20 is introduced into the channel.
  • Metallic surfaces or smooth plastic surfaces, for example, can be used as the material for the reflectors 7, 8, 16. It is important that the sound impedance of the surfaces of the reflectors 7, 8, 16 and the fluid 4 is very different.
  • the orifice openings 17, 18 are preferably closed.
  • materials are to be used that have a sound impedance that is as similar as possible to that of the fluid whose flow velocity is measured.
  • the openings 17, 18 can also remain open.
  • the fluid extends to the ultrasound transducer 2.
  • the volume between the channel wall 13 and the ultrasound transducer 2 is then preferably to be designed such that as little of the fluid 4 as possible flows along the ultrasound path 9.
  • the apertures 17, 18 can take any shape, but are preferably circular. In order to achieve an optimal result for determining the flow rate, the orifices 17, 18 are preferably arranged one behind the other in the flow direction. To measure the average flow velocity, it is necessary for the ultrasound pulses to cross the entire channel cross section, since the flow of the fluid 4 increases from the channel walls 13, 14 to the center 21 of the channel. A corresponding flow profile for a laminar flow is shown in FIG. 2 and identified by reference number 12. In the case of turbulent flows which occur with increasing flow speeds, the parabolic speed profile 12 changes more and more to a box-shaped speed profile 12.
  • An increase in the signal quality can be achieved by arranging the reflectors in such a way that not only is the total distance of the ultrasound path 9 lengthened, but also the sum of the components si, s 2 , s 3 of the ultrasound path 9 projected onto the direction of flow is increased ,
  • the length of the effective path component 2s 3 is just the distance between the diaphragm openings 17, 18. If this is increased, the time or phase shift of the received signals increases.
  • this larger radiation angle 19 could only be achieved via smaller ultrasound frequencies, which would, however, at the same time impair the time resolution of the transit time measurement or the signal quality.
  • the sharp kinking of the measuring channel 3 leads to strong turbulence and a resulting pressure drop at higher flow rates. For this reason, the required signal quality and time resolution of the transit time measurement can be achieved by passing the ultrasonic pulse over at least three reflectors.
  • FIG. 3.1 An embodiment variant for forming the reflectors 7, 16 in the second channel wall 14 of the measuring channel 3 is shown in FIG. 3.1.
  • the reflectors 7, 16 are designed as a projection of the second channel wall 14.
  • FIG. 3.2 A further embodiment variant for the arrangement of the reflectors 7, 16 in the second channel wall 14 is shown in FIG. 3.2.
  • the reflectors 7, 16 partially form a projection from the channel wall and partially a bulge in the channel wall.
  • the second channel wall 14 is arranged between the reflectors 7, 16 such that the cross section of the measuring channel 2 in front of and behind the reflectors 7, 16 is the same.
  • FIG. 4 shows a measuring channel with reflectors arranged in the flow.
  • the reflectors 7, 16 are arranged as reflector bodies 23 in the measuring channel 3.
  • the reflector bodies 23 are preferably designed to be aerodynamic, ie spherical, elliptical, parabolic or in the form of an airfoil profile.
  • the reflective side 7, 16 of the reflector body 23 is preferably smooth or in the form of a concave mirror.
  • a reflector attachment 24 can be formed on the reflector 7, 16. The material of the reflector attachment 24 is to be selected so that the sound impedance of the reflector Toraufsatzes 24 and the sound impedance of the fluid 4, which flows through the measuring channel 3, are as similar as possible.
  • FIG. 5 shows a measuring channel with an embodiment variant of a diaphragm with unlocked openings.
  • a reflector body 31 can also be used as the second reflector 8. Since the reflector body 31 is arranged inside the sound cone 5 emitted by the ultrasound transducer 2, sound is reflected from the outside 25 of the reflector body 31. So that the sound reflected from the outside 25 of the reflector body 31 is not directly reflected back to the ultrasound transducer 2, the outside 25 of the reflector body 31 is preferably bevelled or curved. In this way, the outside 25 acts as a reflector or diffuser, the sound waves being deflected upon reflection in such a way that they are not reflected back onto the ultrasound transducer. The path that the sound waves travel from the ultrasound transducer 2 with the beveled outside 25 is identified in FIG. 5 by reference numeral 26. Even when using an aperture without a second reflector 8 between the aperture openings 17, 18, the outside 25 of the wall between the aperture openings 17, 18 is preferably designed such that reflection of the ultrasound from the outside 25 to the ultrasound transducer 2 is avoided

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchflussmesser zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in einem Messkanal (3), der einen als Sender und Empfänger dienenden Ultraschallwandler (2) umfasst. Der Ultraschall-Durchflussmesser (1) weist zumindest zwei Reflektoren (7, 8, 16) auf, die so ausgerichtet sind, dass die Schallwellen vom Ultraschallwandler (2) durch das strömende Fluid (4) wieder zurück zum UltraschallWandler (2) geleitet werden.

Description

UltraschaHsensor und Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten
Technisches Gebiet
Zur Bestimmung des Flüssigkeitsdurchsatzes durch ein Rohr oder einen Kanal werden u.a. volume rische Messverfahren eingesetzt. Bei den volumetrischen Messverfahren wird die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und mit dem Rohr- bzw. Kanalquerschnitt der Volumenstrom ermittelt. Eine Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, ohne die Strömung zu stören, ist der Einsatz von Ultraschall-Durchflussmessern.
Stand der Technik
Derzeit eingesetzte Ultraschall-Durchflussmesser umfassen in der Regel zwei Ultraschall- wandler, die sich gegenseitig Ultraschallpulse zusenden. Dabei sind die Ultraschallwandler so angeordnet, dass ein Puls in Strömungsrichtung und der andere Puls entgegen der Strömungsrichtung läuft. Aus den Laufzeitunterschieden, die aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums auftreten, lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen.
Ein solcher Ultraschall-Durchflussmesser, der einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor enthält, welche wechselweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empianger wirksam sind, wobei die digitalisierten Empfangssignale nach dem Laufzeitkorrelationsverafhren einem Auswerterechner miteinander korreliert werden, ist aus DE 198 15 199 AI bekannt.
Ultraschall-Durchflussmesser können z.B. dort eingesetzt werden, wo Volumenströme durch ein Rohr quantitativ möglichst genau erfasst werden sollen. Eine Einsatzmöghchkeit ist z.B. die Füllungserfassung an Verbrennungsmotoren, um die Zylinder mit der für den Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlichen Kraftstoffmenge zu versorgen.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Durchflussmessern ist es, dass zwei Ultraschallwandler eingesetzt werden, die abwechselnd als Sender und Emp- fänger arbeiten. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass immer ein Ultraschallwandler als Sender arbeitet, während der andere gleichzeitig als Empfänger dient.
Darstellung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung zur Beseitigung der Nachteile aus dem Stand der Technik sieht vor, durch die Anordnung von Reflektoren im Messkanal die Laufzeit des Sensorsignales soweit zu verlängern, dass ein einzelner Ultraschallwandler, der als Sender und Empfänger dient, ausreicht. Aufgrund der begrenzten Richtwirkung des Wandlers ergibt sich ein natürlicher Öffnungswinkel für die Abstrahlung, wodurch der Ultraschallimpuls zwei unterschiedHche Wege nehmen kann. Beide Wege können durch eine Blende getrennt werden, die zwei Öffnungen aufweist. Die Öffnungen in der Blende sind dabei so angeordnet, dass die beiden Wege des Ultraschallsignales übereinstimmen, das Signal aber in entgegengesetzte Richtung läuft. Hierdurch wird es ermöglicht, dass ein Signal mit der Strömung und das andere Signal entgegen der Strömung verläuft. Somit kann aus dem Laufzeitunterschied der beiden Signale bei ausreichend hoher Laufzeit oder durch ein Interferenzsignal am Ultraschallwandler die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.
Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit werden die Ultraschallwellen über zumindest zwei Reflexionen im Strömungskanal geleitet. Auf diese Weise lässt sich der Weg der Schallwellen so einstellen, dass der gleiche Ultraschallwandler als Sender und Empfänger dienen kann. Eine bessere Signalqualität kann dadurch erreicht werden, dass durch den Einsatz von mehr als zwei Reflektoren die durch die Mehrfachreflexion erzielte Verlängerung der Urnlaufzeit der Ultraschallimpulse soweit verlängert wird, dass die Zeit zwischen Sen- den und Empfangen auch bei kleineren Kanaldurchmessern größer als die Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers wird.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten kann die Interferenz der beiden phasenverschobenen Schallwellen ausgenutzt werden. Durch die Mehrfachreflexion ist jedoch auch eine vollständige zeitliche Separation der empfangenen Signalimpulse möglich, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten direkt über Laufzeitunterschiede bestimmt werden können.
Beim Einsatz von zwei Reflektoren, die auf gegenüberliegenden Seiten im Messkanal angebracht sind, erlaubt die Asymmetrie des Schallweges eine integrierende Messung über die gesamte Kanalbreite. Hierdurch wird ein möglichst großer Teil des einströmenden Geschwindigkeitsprofils repräsentativ erfasst. Vorzugsweise sind die Reflektoren so angeordnet, dass der Abstand in Strömungsrichtung möglichst groß ist im Vergleich zum Abstand senkrecht zur Strömungsrichtung. Die zur Auftrennung der Wege des Ultraschallsignals optional eingesetzte Blende kann gleichzeitig auch als Wand des Strömungskanals dienen. Weiterhin kann zur Reflexion der Schallwellen die Kanalwand so gestaltet sein, dass sie als Reflektor dient. Hierzu bildet die Kanalwand vorzugsweise eine Ausbuchtung. Eine weitere Möglichkeit ist es, innerhalb des Messkanals Reflektoren anzuordnen. Dabei sind die Reflektoren vorzugsweise so gestaltet, dass die nicht zur Reflektion von Schallwellen benötigte Seite strömungsgünstig geformt ist. Eine weitere Möglichkeit zur strömungstechnisch günstigen Gestaltung der Reflektoren besteht darin, auf den Reflektor ein strömungsgünstig geformtes Profil aus einem Material mit einer Schallinpedanz nahe derjenigen des Fluids aufeubringen. Als strömungsgünstige Profile eignen sich insbesondere kugelförmige, parabolische oder elliptische Profile. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Reflektoren ist es, die Reflektoren in Hohlspiegelform mit fokussierender Wirkung zu gestalten.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird ein von einem Ultraschallwandler in Form eines Schallkegels ausgesendeter Ultraschallimpuls an den Rändern des Schallkegels über zumindest zwei Reflektoren durch eine Fluidströmung und zurück zum Ultraschallwandler geleitet. Die Reflektoren sind dabei so angeordnet, dass die Schallwellen den gleichen Weg gleichzeitig in entgegengesetzte Richtung durchlaufen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schallwellen durch den Einsatz hohlspiegelförmiger Reflektoren gebündelt. Weiterhin ist es möglich, den Ultraschallimpuls durch Einsatz einer Blende in zwei Wege aufzuteilen. Eine integrierende Messung der Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Kanalbreite, wodurch ein möglichst großer Teil des einströmenden Geschwindigkeitsprofils repräsentativ erfasst wird, wird dadurch ermöglicht, dass der Weg der Schallwellen im strömenden Fluid eine Komponente in Strömungsrichtung und eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist. Aus den Laufzeitunterschieden der in entgegengesetzte Richtung laufenden Schallwellen kann dann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Alternativ kann die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auch aus der Interferenz der phasenverschobenen Schallwellen erfolgen.
Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor eignet sich zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen.
Zeichnung Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit zwei Reflektoren,
Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit drei Reflektoren.
Figur 3.1 Anordnung der Reflektoren in einer Ausführungsvariante,
Figur 3.2 Anordnung der Reflektoren in einer weiteren Ausführungsvariante,
Figur 4 Messkanal mit in der Strömung angeordneten Reflektoren,
Figur 5 eine Ausführungsvariante einer Blende mit unverschlossenen Öffnungen.
Ausfuhrimgsvarianten
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit zwei Reflektoren.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Ultraschall-Durchflussmesser 1 umfasst einen Ultra- schallwandler 2, der außerhalb eines Messkanals 3 angeordnet ist. Der Querschnitt des Messkanals 3 kann dabei jede behebige Form annehmen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Messkanal geschlossen ist. So ist zum Beispiel auch eine Anordnung möglich, bei der der Ultraschallwandler an der offenen Seite einer offenen Kanalströmung angeordnet ist. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids 4 im Messkanal 3 wird vom Ult- raschallwandler 2 ein Ultraschallimpuls in Form eines Schallkegels 5 ausgesendet. An den Rändern 6 des Ultraschallimpulses sind Reflektoren 7, 8 angeordnet, die die Schallwellen reflektieren. Dabei ist der erste Reflektor 7 an der Seite der Strömung angeordnet, die näher zum Ultraschallwandler 2 positioniert ist. Der zweite Reflektor 8 ist an der vom Ultraschallwandler 2 entfernten Seite der Strömung angeordnet. Die beiden Reflektoren 7, 8 sind dabei so ausgerichtet, dass die von den Reflektoren 7, 8 reflektierten Schallwellen jeweils auf den anderen Reflektor 7, 8 treffen und von dort zurück zum Ultraschallwandler 2 geleitet werden. Der Weg, den die Schallwellen zurücklegen, ist dabei mit Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Die Anordnung der Reflektoren 7, 8 ist derart, dass die Schallwellen vom Rand des Schallkegels 4 jeweils reflektiert, zum anderen Reflektor 7, 8 und von dort zurück zum Ultraschallwandler 2 geführt werden, wobei die Schallwellen in eine erste Richtung 10 und eine zweite Richtung 11 verlaufen, die genau der ersten Richtung 10 entgegengesetzt ist.
Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung der Reflektoren 7, 8 innerhalb der Strömung des Fluids 4, deren Richtung und Geschwindigkeitsprofil mit dem Bezugszeichen 12 markiert ist, wird die Strömung durch die Reflektoren 7, 8 gestört. Zur Verringerung der Störung der Strömung können die Reflektoren 7, 8 auf der für die Reflektion nicht benötigten Seite ein aerodynamisches Profil aufweisen. Dieses ist vorzugsweise ein halbkugelfδrmiges, parabolisches oder elliptisches Profil. Eine weitere Möglichkeit, eine Störung der Strömung zu verringern, besteht darin, die Reflektoren 7, 8 als Ausbuchtungen der ersten Kanalwand 13 und zweiten Kanalwand 14 des Messkanals 3 zu gestalten. Hierbei wirken dann die erste Kanalwand 13 und zweite Kanalwand 14 selbst als Reflektoren.
Nach Durchlaufen des strömenden Fluids 4 überlagern sich die Ultraschallimpulse im Ultraschallwandler 2 zu einem resultierenden Interferenzsignal. Die Amplitude dieses Interferenzsignals hängt direkt vom Phasenunterschied zwischen den beiden Signalwegen 10, 11 - in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung - ab und ist ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit drei Reflektoren dargestellt.
Der Ultraschall-Durchflussmesser 1 nach der in Figur 2 dargestellten Ausfurnungsvariante umfasst den Ultraschallwandler 2, der außerhalb des Messkanals 3 angebracht ist, durch welchen das Fluid 4 strömt. Das Fluid 4 kann dabei flüssig oder gasförmig sein. Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird vom Ultraschallwandler 2 ein Ultraschallimpuls ausgesendet. Durch eine Blende 15, die in der Ausfuhrungsvariante entsprechend Figur 2 gleichzeitig die erste Kanalwand 13 ausbildet, wird der Weg festgelegt, den der Ultraschallimpuls durch das den Messkanal 3 durchströmende Fluid 4 zurücklegt. Der Weg ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Der Ultraschallimpuls wird über den ersten Reflektor 7, den zweiten Reflektor 8 und einen dritten Reflektor 16 umgeleitet, bevor er wieder auf den Ultraschallwandler 2 trifft. Durch die entsprechende Anordnung einer ersten Blendenöffnung 17 und einer zweiten Blendenöffnung 18 der Blende 13 sowie der Reflektoren 7, 8, 16 wird der Weg des Ultraschallimpulses festgelegt. Der Ultraschallimpuls wird vom Ultraschallwandler 2 in Form eines Schallkegels 5 mit einem mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichneten Abstrahlwinkel oder in Form einer Doppelkeulencharakteristik 22 abgestrahlt. Die Blende 15 dient dazu, aus dem Schallkegel 5 gerichtete Ultraschallimpulse zu erzeugen. Die Ultraschallimpulse laufen entlang dem Ultraschallweg 9, wobei ein Impuls die erste Richtung 10 und ein zweiter Impuls die zweite Richtung 11, die der ersten Richtung 10 entgegengerichtet ist, entlang läuft. Damit die Strömung des Fluids 4 im Mess- kanal 3 möglichst wenig gestört wird, können die Reflektoren 7, 8, 16 durch die obere Kanalwand 13 und die untere Kanalwand 14 ausgebildet werden. Eine entsprechende Anordnung der Reflektoren 7, 8, 16 kann dadurch erreicht werden, dass in den Kanal eine Ausbuchtung 20 eingebracht wird. Als Material für die Reflektoren 7, 8, 16 können z.B. metallische Oberflächen oder glatte Kunststoffoberflächen eingesetzt werden. Wichtig ist es, dass sich die Schallimpedanz der Oberflächen der Reflektoren 7, 8, 16 und des Fluids 4 stark unterscheidet.
Damit aus dem Messkanal 3 kein Fluid 4 aus den Blendenöffnungen 17, 18 austreten kann, werden die Blendenöffnungen 17, 18 vorzugsweise verschlossen. Hierzu sind Materialien zu verwenden, die eine möglichst ähnliche Schallimpedanz aufweisen wie das Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird. Alternativ können die Öffnungen 17, 18 auch offen bleiben. In diesem Fall reicht das Fluid bis zum Ultraschallwandler 2. Das Volumen zwischen der Kanalwand 13 und dem Ultraschallwandler 2 ist dann vorzugsweise so zu gestalten, dass möglichst wenig des Fluids 4 längs des Ultraschallweges 9 strömt.
Die Blendenöffnungen 17, 18 können jede beliebige Form annehmen, sind jedoch vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Um ein optimales Ergebnis für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, sind die Blendenöffnungen 17, 18 vorzugsweise in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Zur Messung der mittleren Strömungsge- schwindigkeit ist es erforderlich, dass die Ultraschallimpulse den gesamten Kanalquerschnitt durchqueren, da die Strömung des Fluids 4 von den Kanalwänden 13, 14 zur ICanalmitte 21 hin zunimmt. Ein entsprechendes Strömungsprofil für eine laminare Strömung ist in Figur 2 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet. Bei turbulenden Strömungen, die mit zunehmenden Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, verändert sich das paräboli- sehe Geschwindigkeitsprofil 12 immer mehr zu einem kastenförmigen Geschwindigkeitsprofil 12.
Eine Zunahme der Signalqualität kann dadurch erreicht werden, dass die Reflektoren so angeordnet werden, dass nicht nur die Gesamtstrecke des Ultraschallweges 9 verlängert wird, sondern dass auch die Summe der auf die Strömungsrichtung projizierten Komponenten si, s2, s3 des Ultraschallweges 9 vergrößert wird. Die effektive Wegkomponente 2s3 entlang der Strömungsrichtung ist dabei 2 (s2 - sι) = 2s3.
Die Länge der effektiven Wegkomponente 2s3 ist gerade der Abstand der Blendenöffnungen 17, 18. Wird dieser vergrößert, so nimmt die Zeit- oder Phasenverschiebung der Empfangs- Signale zu.
Eine ausreichende Verlängerung des Ultraschallweges 9, durch die eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch den Laufzeitunterschied ermöglicht wird, mit weniger als drei Reflektoren würde beim Einsatz eines einzelnen Ultraschallwandlers 2 und einer vergleich- bar kompakten Bauweise des Ultraschall-Durchflussmessers 1 einen größeren Abstrahlwinkel 19 oder ein starkes Abknicken des Messkanals 3 des Ultraschallimpulses erfordern. Dieser größere Abstrahlwinkel 19 wäre allerdings nur über kleinere Ultraschallfrequenzen zu erzielen, wodurch jedoch gleichzeitig die Zeitauflösung der Laufzeitmessung bzw. die Signalqualität verschlechtert würde. Das starke Abknicken des Messkanals 3 führt bei größeren Strömungsraten zu starken Turbulenzen und einem dadurch bedingten Druckabfall. Aus diesem Grund lässt sich die erforderliche Signalqualität und Zeitauflösung der Laufzeitenmessung dadurch erreichen, dass der Ultraschallimpuls über zumindest drei Reflektoren geführt wird.
Eine Ausfuhrungsvariante zur Ausbildung der Reflektoren 7, 16 in der zweiten Kanalwand 14 des Messkanals 3 ist in Figur 3.1 dargestellt. Um den Querschnitt des Messkanals 3 vor und nach dem Reflektor gleichzuhalten, sind die Reflektoren 7, 16 als Vorsprung der zweiten Kanafwand 14 ausgebildet. Eine weitere Ausführungsvariante zur Anordnung der Reflektoren 7, 16 in der zweiten Kanalwand 14 ist in Figur 3.2 dargestellt. Hierbei bilden die Reflektoren 7, 16 teilweise einen Vorsprung aus der Kanalwand und teilweise eine Ausbuchtung in die Kanalwand. Zwischen den Reflektoren 7, 16 ist die zweite Kanalwand 14 so angeordnet, dass der Querschnitt des Messkanals 2 vor und hinter den Reflektoren 7, 16 gleich ist.
Figur 4 zeigt einen Messkanal mit in der Strömung angeordneten Reflektoren.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante sind die Reflektoren 7, 16 als Reflektorkörper 23 im Messkanal 3 angeordnet. Die Reflektorkörper 23 sind dabei vorzugsweise strömungsgünstig, d.h. kugelförmig, elliptisch, parabolisch oder in Form eines Tragflächen- profils ausgebildet. Die reflektierende Seite 7, 16 des Reflektorkörpers 23 ist vorzugsweise glatt oder in Form eines Hohlspiegels ausgebildet. Um eine Störung der Strömung weiter zu reduzieren, kann auf dem Reflektor 7, 16 ein Reflektoraufsatz 24 ausgebildet sein. Dabei ist das Material des Reflektoraufsatzes 24 so zu wählen, dass die Schallimpedanz des Reflek- toraufsatzes 24 und die Schallimpedanz des Fluids 4, welches durch den Messkanal 3 strömt, möglichst ähnlich sind.
In Figur 5 ist ein Messkanal mit einer Ausfuhrungsvariante einer Blende mit unverschlosse- nen Öffnungen dargestellt.
Neben der Kanalwand 13 kann als zweiter Reflektor 8 auch ein Reflektorkörper 31 eingesetzt werden. Da der Refiektorkörper 31 innerhalb des vom Ultraschallwandlers 2 ausgesendeten Schallkegels 5 angeordnet ist, wird von der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 Schall reflektiert. Damit der von der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 reflektierte Schall nicht direkt an den Ultraschallwandler 2 zurückreflektiert wird, ist die Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 vorzugsweise angeschrägt oder gewölbt ausgebildet. Auf diese Weise wirkt die Außenseite 25 als Reflektor oder Diffusor, wobei die Schallwellen bei Reflexion so umgelenkt werden, dass sie nicht auf den Ultraschallwandler zurückreflektiert werden. Der Weg, den die Schallwellen vom Ultraschallwandler 2 bei angeschrägter Außenseite 25 zurücklegen, ist in Figur 5 mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet. Auch bei Einsatz einer Blende ohne zweiten Reflektor 8 zwischen den Blendenöffnungen 17, 18 ist die Außenseite 25 der Wand zwischen den Blendenöffnungen 17, 18 vorzugsweise so gestaltet, dass eine Reflexion des Ultraschalls von der Außenseite 25 zum Ultraschallwandler 2 vermieden wird
Bei unverschlossenen Blendenöffnungen 17, 18 strömt Fluid 4 aus dem im Messkanal 3 durch die Blendenöffnungen 17, 18 in einen Raum 28 unterhalb des Ultraschallwandlers 2. Damit kein Fluid 4 aus dem Raum 28 austreten kann, ist der Raum 28 durch Wände 29 be- grenzt. Die Wände 29 verbinden dabei die erste Kanalwand 13 des Messkanals 3 mit dem Ultraschallwandler 2. Eine Durchströmung des Raumes 28 wird behindert durch Aufnahme einer Wand 27, die sich vom Reflektorkörper 31 in Richtung des Ultraschallwandlers 2 erstreckt. Wenn die Wand 27 so ausgeführt ist, dass sie mit dem Reflektorkörper 23 verbunden ist, strömt das Fluid entlang der Richtung der Schallwellen. Hierdurch ergibt sich eine Verschlechterung des Messsignales. Abhilfe kann hier eine Durchflussöflhung 30 schaffen, welche direkt oberhalb der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 angeordnet ist. In diesem Fall wird der Reflektor 31 nahe umströmt und nicht entlang der gesamten Schalllaufstrecke außerhalb des Messkanals 3. Bezugszeichenliste
Ultraschall-Durchflussmesser
Ultraschallwandler
Messkanal
Fluid
Schallkegel
Rand des Ultraschallimpulses erster Reflektor zweiter Reflektor
Ultraschallweg erste Richtung zweite Richtung
Geschwindigkeitsprofil erste Kanalwand zweite Kanalwand
Blende dritter Reflektor erste Blendenöffnung zweite Blendenöffnung
Abstrabiwinkel
Ausbuchtung
Kanalmitte
Doppelkeulencharakteristik
Reflektorkörper
Reflektoraufsatz
Außenseite
Schallweg
Wand
Raum
Wand des Raumes 28
Durchflussöffnung
Reflektorkörper
Wegkomponente halbe effektive Wegkomponente

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Durchflussmesser zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in einem Messkanal (3), einen als Sender und Empfänger dienenden Ultraschallwandler (2) um- fassend, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Durchflussmesser (1) zumindest zwei Reflektoren (7, 8, 16) aufweist, die so ausgerichtet sind, dass die vom Ultraschallwandler (2) ausgesendeten Schallwellen durch das strömende Fluid (4) wieder zurück zum Ultraschallwandler (2) geleitet werden.
2. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Reflektoren (7, 8, 16) an gegenüberliegenden Kanalwänden (13, 14) angeordnet sind.
3. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (7, 8, 16) als Ausbuchtung (20) in der Kanalwand (13, 14) gestaltet sind
4. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (7, 16) auf Reflektorkörpern (23) im Messkanal (3) angeordnet sind.
5. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorkörper (23) strömungsgünstig ausgebildet sind.
6. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem Reflektorkörper (23) ein Reflektoraufsatz (24) mit einer Schallimpedanz ähnlich der des strömenden Fluids (4) angeordnet ist.
7. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (7, 16) hohlspiegelförmig gestaltet sind.
8. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Senderichtung hinter dem Ultraschallwandler (2) eine Blende (15) positioniert ist.
9. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (15) zwei in Strömungsrichtung des Fluids (4) hintereinander Hegende Blendenöffnungen (17, 18) aufweist.
10. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ultraschallwandler (2) nächstgelegene Kanalwand (13) als Blende (15) ausgebildet ist.
11. Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ultraschallwandler (2) gegenüberhegende Außenseite (25) der Wand zwischen dem Reflektoröffhungen (17, 18) so gestaltet ist, dass eine Reflexion des Ultraschalls von der Außenseite (25) zum Ultraschallwandler (2) vermieden wird.
12. Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei dem ein Ultraschallimpuls in Form eines Schallkegels (5) von einem UltraschaUwandler (2) ausgesendet wird, der Ultraschallimpuls an den Rändern (6) des Schallkegels (5) über zumindest zwei Reflektoren (7, 8, 16) durch ein strömendes Fluid (4) und zurück zum Ultraschallwandler (2) geleitet wird, wobei die Reflektoren (7, 8, 16) so angeordnet sind, dass die Schall- wellen den gleichen Weg (9) gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen (10, 11) durchlaufen.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen durch Einsatz hohlspiegelförmiger Reflektoren (7, 8, 16) gebündelt werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallimpuls durch Einsatz einer Blende (15) in zwei Wege aufgeteilt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg (9) der Schallwellen im strömenden Fluid (4) eine Komponente in Strömungsrichtung und eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus den Laufzeitunterschieden der in ent- gegengesetzte Richtung (10, 11) laufenden Schallwellen erfolgt.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus der Interferenz phasenverschobener Schallwellen erfolgt.
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