WO2006000546A1

WO2006000546A1 - Verfahren zur kalibrierung von ultraschall-clamp-on-durchflussmessgeräten

Info

Publication number: WO2006000546A1
Application number: PCT/EP2005/052847
Authority: WO
Inventors: Bernhard Funck; Andreas Mitzkus
Original assignee: Flexim Flexible Industriemesstechnik Gmbh
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-01-05
Also published as: US7506532B2; DE102004031274B4; JP4712035B2; US20080216555A1; JP2008504543A; DE102004031274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitverfahren. Es liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Kalibrierung des akustischen Kalibrierfaktors Ka von Clamp-on-Durchflussmessgeräten zu schaffen, dass ohne die Bereitstellung eines Referenzvolumenstromes auskommt. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird durch eine gegenseitige Translation der Schallwandler eine Positionsdifferenz realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen. Die Abstrahlflächen der beiden Schallwandler sind dazu in zueinander parallelen Ebenen akustisch gegenüberliegend angeordnet.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-

Clamp-on-Durchflussmessgeräten Technisches Umfeld [001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall- Clamp-on-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitverfahren. [002] Clamp-on-Durchflussmessgeräte finden breiten Einsatz in vielen Bereichen der Industrie. Einer ihrer wesentlichen Vorteile besteht darin, dass die Durchflussmessung berührungslos stattfindet. Bei Clamp-on-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitdif¬ ferenzverfahren wird die Differenz zweier sich in bzw. gegen die Strömung aus¬ breitender Schallsignale gemessen und daraus der Volumenstrom berechnet. Die Lauf¬ zeitdifferenz hängt von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit Vl auf dem Schallpfad, dem Schalleinstrahlwinkel im Fluid sowie der Schallaufzeit tfl ab. Der Zu¬ sammenhang wird durch folgende Formel beschrieben: [003] Vl = Ka *(Δt/2tfl) Gl. (1) [004] Dabei ist Ka der akustische Kalibrierfaktor, der den Einstrahlwinkel im Fluid bestimmt: [005] Ka = cα/sin(α) Gl. (2) [006] Der Einstrahlwinkel im Fluid wird hier über das Brechungsgesetz durch Ein¬ strahlwinkel und Schallgeschwindigkeit im Schallwandlervorlauf ausgedrückt. Um den Volumenstrom zu berechnen muss noch der strömungsmechanische Kalibrierfaktor KF bekannt sein, welcher dass Verhältnis des Flächenmittelwertes der Strömungsge¬ schwindigkeit zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf dem Schallpfad darstellt: [007] KF = VA/VI Gl. (3) [008] Dann ergibt sich der Volumenstrom Q mit der Querschnittsfläche A des Rohres zu [009] Q = KF*A*Ka*(Δt/2tfl) Gl. (4) [010] Die Berechnung des akustischen Kalibrierfaktors als Verhältnis von Schallge¬ schwindigkeit und Einstrahlwinkel im Vorlauf setzt gewisse idealisierende Annahmen voraus. Zunächst müssen die Schallwandler optimal, das heißt akustisch gegen¬ überliegend positioniert sein. Im praktischen Einsatz gibt es aber immer Ab¬ weichungen von der Optimalposition. Weiterhin ist die Schallgeschwindigkeit im Vorlauf des Schallwandlers temperaturabhängig. Wenn die Temperatur des Mes¬ sobjektes stark von der Umgebungstemperatur abweicht ist die Temperatur im Schallwandler außerdem ortsabhängig. Dann lässt sich der akustische Kalibrierfaktor nur numerisch berechnen, vorausgesetzt, die Temperaturverteilung im Vorlauf ist bekannt. [011] Eventuelle Einflüsse der Rohrwand auf den Einstrahlwinkel im Fluid werden durch Ka ebenfalls nicht berücksichtigt. [012] In Fällen, wo die genannten Abweichungen des akustischen Kalibrierfaktors relevant werden und nicht rechnerisch kompensiert werden können, ist eine Ka¬ librierung denkbar. Diese wird üblicherweise auf einem Durchflusskalibrierstand vorgenommen. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle in Gl. (4) enthaltenen Variablen, also der Volumenstrom Q, der strömungsmechanische Kalibrierfaktor KF, die innere Querschnittsfläche des Rohres sowie die Laufzeit und die Laufzeitdifferenz bekannt sind. Der akustische Kalibrierfaktor lässt sich dann durch Umstellung der Gl. (4) berechnen zu: [013] Ka = Q/(A*KF*(Δt/2tfl)) Gl. (5) [014] Kalibrierstände sind jedoch nur für eine kleine Auswahl der in der Praxis vor¬ kommenden Messbedingungen verfügbar. Für große Nennweiten oder hohe Tem¬ peraturen ist die Bereitstellung eines Referenzvolumenstromes sehr aufwendig. Offenbarung der Erfindung Technisches Problem [015] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Kalibrierung des akustischen Kalibrierfaktors Ka von Clamp-on-Durchflussmessgeräten zu schaffen, das ohne die Bereitstellung eines Referenzvolumenstromes auskommt und die Messung des Volumenstroms ermöglicht. Technische Lösung [016] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahrenzur Kalibrierung von Ul- traschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass durch eine gegenseitige Translation der Schallwandler eine Positionsdifferenz realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen wird. Die Ab¬ strahlflächen der beiden Schallwandler sind dazu in zueinander parallelen Ebenen akustisch gegenüberliegend angeordnet. [017] Das Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstand xθ + xd und die Messung der Schalllaufzeit tl zwischen den Schallwandlern in dieser Position erfolgt, wobei xθ der Abstand für optimale akustische Kopplung der beiden Schallwandler ist und xd die als Fehlposition bezeichnete Abweichung von dieser Position, b) eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstand xθ + xd + ΔX und die Messung der Schalllaufzeit t2 zwischen den Schallwandlern in dieser Position erfolgt, und c) die Berechnung des akustischen Kalibrierfaktors Ka aus der Abstandsdifferenz Δx und der Zeitdifferenz Δt=t2-tl nach der Formel Ka = Δx/Δt erfolgt. [018] Die Durchführung des Verfahrens erfolgt für eine ausreichende Anzahl N von Fehl¬ positionen xd im Empfangsbereich xdl bis xd2 der Schallwandler zur Aufnahme einer von der Fehlposition abhängigen Messreihe des akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd). [019] In einer Ausführungsform erfolgt die Schallausbreitung zwischen den Schallwandlern über einen oder mehrere in zu den Schallwandlern parallelen Ebenen angeordnete Reflektoren. [020] Eine weitere Ausführung sieht die Schalleinkopplung über Rohrsegmente vor, wobei die Rohrsegmente als Reflektoren ausgebildet sein können. [021] Die Schallwandler können auch in der üblichen Clamp-on-Anordnung, jedoch in Richtung der Rohrachse verschiebbar, auf einem Rohr angebracht sein. [022] Das erfindungsgemäße Verfahren wird für ein Ultraschall- Clamp-on-Durchflussmessgerät verwendet, um die Messgenauigkeit zu verbessern. [023] Beim Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät wird der Volumenstrom mit einer nach einem in den vorhergehenden Ansprüchen bestimmten von der Fehlposition xd abhängigen akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd) berechnet. [024] Das Verfahren lässt sich in einem Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät im¬ plementieren. [025] Mindestens einer der beiden Schallwandler ist mit einer Vorrichtung zur Variation der Position ausgestattet und es kann eine Selbstkalibrierung durchgeführt werden, indem der akustische Kalibrierfaktor Ka nach den vorhergehenden Ansprüchen bestimmt wird., [026] Die Selbstkalibrierung des Durchflussmessgerätes kann im laufenden Betrieb stattfinden. [027] Vorteil des Verfahrens und des Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerätes ist es, dass das Durchflussmessgerät ohne einen Referenzvolumenstrom kalibriert werden kann. Bei Selbstkalibrierung im laufenden Betrieb muss der Durchfluss nicht ab¬ geschaltet werden. Kurze Beschreibung von Zeichnungen [028] Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. [029] Fig. 1 Schallwandleranordnung direkt gegenüberliegend, wobei die Position von Schallwandler 1 in x-Richtung von der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird. [030] Fig. 2 Schallwandleranordnung mit Reflektor 6 , wobei die Position der Schallwandler in x-Richtung von der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird. [031] Fig. 3 Schallwandleranordnung mit Rohrsegmenten, wobei die Position der Schallwandler in x-Richtung von der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird. [032] Fig.4 Schallwandleranordnung auf einem Rohr, wobei die Position der Schallwandler in x-Richtung von der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird. [033] Die Anordnung in Fig. 1 besteht aus den beiden Schallwandlern 1 und 2 die akustisch gegenüberliegend angeordnet sind. Das bedeutet, dass ihre Abstrahlflächen parallel zueinander sind und der gegenseitige Abstand der Schallwandler so gewählt ist, dass der Schallstrahl des einen Schallwandlers den anderen Schallwandler trifft. Dieser optimale Abstand soll mit xθ bezeichnet werden. Der Schallwandler 2 sei wie in den Zeichnungen abgebildet, an der Stelle x=0 angeordnet. Dann entspricht der Sen¬ sorabstand der Position des Schallwandlers 2. Zwischen den Schallwandlern befindet sich ein Fluid, z.B. Wasser. Die ganze Anordnung wird dazu in einen Behälter getaucht, so dass das Fluid zumindest den Raum zwischen den Abstrahlflächen ausfüllt. Der Schallwandler 1 wird von der Linearpositioniereinheit 3 gehalten, so dass dessen Position in x-Richtung und damit der Sensorabstand mit Hilfe der Linearposi- tioniereinheit variiert werden kann. [034] Die Idee besteht darin, den Messeffekt, den ein strömendes Fluid erzeugt, bei ruhendem Fluid durch eine Bewegung der Schallwandler zu erzeugen. Üblicherweise wird bei der Berechnung des Messeffektes des Ultraschalldurchflussmessers nach dem Laufzeitdifferenzverfahren von der Modellvorstellung ausgegangen, dass sich die Strö¬ mungsgeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit vektoriell überlagert und damit eine Änderung der Laufzeit verbunden ist. Ebenso kann man aber auch vom örtlichen Versatz des Schallimpulses ausgehen, den dieser beim Durchlaufen des Weges zwischen den Schallwandlern erfährt und der dadurch entsteht,, dass der Schallimpuls mit dem strömenden Medium mitgeführt wird. Fig. 1 zeigt den Verlauf 4 des Schallpfades bei ruhendem Fluid und den Verlauf 5 wenn das Fluid mit der Strö¬ mungsgeschwindigkeit V strömt. Der durch die Strömung verursachte örtliche Versatz Δxv ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit Vl und der Laufzeit tfl zu [035] ΔXV = Vl * tfl Gl. (6) [036] Durch Umstellen dieser Gleichung nach Vl und Einsetzen in Gl. (1) erhält man: [037] Ka = 2Δxv/Δt Gl. (7) [038] Das Doppelte des örtlichen Versatzes im Verhältnis zur Zeitdifferenz ergibt also den akustischen Kalibrierfaktor. [039] Nun betrachten wir ein ruhendes Fluid und messen die Schalllaufzeiten tl und t2 für die zwei Positionen x bzw. x+Δx des Schallwandlers 1. Mit der Positionsdifferenz Δx und der Differenz der Laufzeiten Δt= t2 - tl lässt sich dann ebenfalls der akustische Kalibrierfaktor nach Gl. (7) berechnen: [040] Ka = 2Δx/Δt Gl. (8) [041] Damit lässt sich der akustische Kalibrierfaktor ohne Verwendung eines Referenzvo¬ lumenstromes ermitteln. Stattdessen wird eine Positionsdifferenz der Schallwandler realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen. Für die Messung der Laufzeitdifferenz kann das Clamp-on-Durchflussmessgerät selbst verwendet werden. Auf diese Weise werden nicht nur die Sensoren sondern der gesamte Messwandler kalibriert. [042] Die Schallübertragung ist nicht nur bei optimalem Abstand xθ der Schallwandler möglich, sondern auch in einem gewissen Bereich xl bis x2 um diese Position herum. Wie bereits oben erwähnt, weicht der akustische Kalibrierfaktor dann von dem nach Gl. (2) berechneten Wert ab. Die Fehlposition (deviation) xd bezeichnet die Differenz des Schallwandlerabstandes x vom optimalen Abstand xθ: [043] xd = x - x0 Gl. (9) [044] Da derartige Fehlpositionen in der Praxis nicht vermeidbar sind, ist es sinnvoll, den akustischen Kalibrierfaktor Ka für eine Anzahl von Schallwandlerabständen innerhalb des Empfangsbereiches nach dem beschriebenen Verfahren zu messen. Diese Messreihe kann dann im Durchflussmessgerät in Form eines fehlpositionsabhängigen akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd) verwendet werden. Statt der Gl. (4) wird also folgende Formel verwendet: [045] Q = KF * A * Ka(xd) * (Λt/2tl) Gl. (10) [046] In Fig. 2 ist eine Schallwandleranordnung mit Reflektor 6 gezeigt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass beide Schallwandler außerhalb des Fluids angeordnet werden können. Nur die Abstrahlflächen und der Reflektor müssen im Fluid sein. [047] Die Anordnung nach Fig. 3 ermöglicht die Erfassung der Einflüsse der Rohrwand. Dazu sind die Schallwandler 1 und 2 an Rohrsegmente 7 und 8 gekoppelt und der Schall wird an einem gegenüberliegenden Rohrsegment 9 reflektiert. Auf diese Weise liegen akustisch annähernd dieselben Bedingungen vor wie bei der realen Messung an einem Rohr. Die Verwendung von Rohrsegmenten anstelle eines Rohres ermöglicht jedoch, die Schallwandler fest an die Rohrsegmente zu koppeln und zur Messung des akustischen Kalibrierfaktors zusammen mit den Rohrsegmenten zu verschieben. Bei Verwendung eines vollständigen Rohres 10 muss der Schallwandler gegenüber dem Rohr 10 verschoben werden. Dabei ist es schwierig, die Ankopplung konstant zu halten. Erforderlich ist dies jedoch, wenn eine konkrete Messstelle vor Ort kalibriert werden soll. In diesem Fall wird das Messobjekt also nicht nachgebildet, sondern ist selbst Teil der Kalibrierung. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung zeigt Fig. 4. Die Sensoren werden auf dem Rohr 10 in der üblichen Messanordnung angeklemmt. Mindestens einer der beiden Schallwandler wird mit einer Linearpositioniereinheit verbunden. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht darüber hinaus die Selbstka¬ librierung des Durchflussmessgerätes im laufenden Betrieb. Dazu wird in re¬ gelmäßigen Abständen der Messvorgang unterbrochen und die Laufzeitdifferenz Δt für die Positionsdifferenz Δx gemessen und daraus erfindungsgemäß der akustische Kali- brierfaktor ermittelt. Wenn dies nur an einer einzigen Sensorposition erfolgen soll, ist keine vollständige Linearpositioniereinheit erforderlich, sondern nur eine Vorrichtung, die es ermöglicht, genau zwei Sensorabstände einzustellen. Eine solche Vorrichtung kann in die üblichen Vorrichtungen zur Sensorbefestigung auf dem Rohr integriert werden.

Claims

Ansprüche [001] Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten, wobei die Abstrahlflächen zweier Schallwandler in zueinander parallelen Ebenen akustisch gegenüberliegend angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass durch eine gegenseitige Translation der Schallwandler eine Positionsdifferenz realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen wird, wobei a) eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstand xθ + xd und Messung der Schalllaufzeit tl zwischen den Schallwandlern in dieser Position erfolgt, wobei xθ der Abstand für optimale akustische Kopplung der beiden Schallwandler ist und xd die als Fehlposition bezeichnete Abweichung von dieser Position, b) eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstand xθ + xd + Δx und Messung der Schalllaufzeit t2 zwischen den Schallwandlern in dieser Position erfolgt, c) die Berechnung des akustischen Kalibrierfaktors Ka aus der Abstandsdifferenz Ax und der Zeitdifferenz Δt=t2-tl nach der Formel Ka = Ax/ 'At erfolgt. [002] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung für eine ausreichende Anzahl N von Fehlpositionen xd im Empfangsbereich xdl bis xd2 der Schallwandler zur Aufnahme einer von der Fehlposition abhängigen Messreihe des akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd) erfolgt. [003] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schallausbreitung zwischen den Schallwandlern über einen oder mehrere in zu den Schallwandlern parallelen Ebenen angeordnete Reflektoren erfolgt. [004] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schallübertragung über Rohrsegmente erfolgt. [005] Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die den Schallwandlern gegenüberliegenden Rohrsegmente als Reflektoren ausgebildet sind. [006] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler in der üblichen Clamp-on- Anordnung, jedoch mindestens einer der beiden Schallwandler in Richtung der Rohrachse verschiebbar, auf einem Rohr angebracht sind. [007] Verfahren zur Volumenstrommessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren mit Clamp-on-Schallwandlern dadurch gekennzeichnet, dass zur Volumenstromberechnung ein nach einem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2 gemessener akustischer Kalibrierfaktor verwendet wird. [008] Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Schallwandler mit einer Vorrichtung zur Variation der Position ausgestattet ist und eine Selbstkalibrierung durchgeführt wird, indem der akustische Kalibrierfaktor Ka nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bestimmt wird. [009] Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstkalibrierung des Durchflussmessgerätes im laufenden Betrieb stattfindet.