DE19633558A1 - Ultraschall-Durchflußmeßverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflußmeßverfahren für strömende Medien, mit Hilfe eines Meßrohres und mit Hilfe mindestens zweier am Meßrohr angebrachter, Ultraschallimpulse auf mindestens einen Meßpfad abstrahlender und vom Meßpfad empfangender Ultraschallwandler, bei welchem die mittlere Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums durch das Meßrohr aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse über den Meßpfad und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß be­ stimmt wird.

Der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmessern hat in zunehmendem Maße bei der be­ trieblichen Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen, zusammengefaßt strö­ mende Medien, Bedeutung gewonnen. Die Durchflußmessung erfolgt - wie bei ma­ gnetisch-induktiven Durchflußmessern - "berührungslos", d. h. ohne störende Ein­ bauten in der Strömung, die stets Verwirbelungen und einen erhöhten Druckverlust zur Folge haben.

Bei Ultraschall-Durchflußmessern unterscheidet man hinsichtlich des Meßverfahrens vor allem zwischen dem Laufzeit-Verfahren und dem Doppler-Verfahren, beim Lauf­ zeit-Verfahren zwischen dem direkten Laufzeitdifferenz-Verfahren, dem Impulsfolge­ frequenz-Verfahren und dem Phasenverschiebungs-Verfahren (vgl. H. Bernard "Ul­ traschall-Durchflußmessung" in "Sensoren, Meßaufnehmer", herausgegeben von Bon­ fig/Bartz/Wolff im expert verlag, ferner die VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durch­ flußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").

Zum apparativen Aufbau eines Ultraschall-Durchflußmessers der in Rede stehenden Art gehören funktionsnotwendig einerseits ein Meßrohr, das in der Regel zusammen mit einer Einlaufstrecke und einer Auslaufstrecke die Meßstrecke darstellt, und ande­ rerseits mindestens zwei in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die auch als Meßköpfe bezeichnet werden. Dabei ist Ultraschall­ wandler sehr allgemein zu verstehen. Zunächst gehören zu den Ultraschallwandlern einerseits Ultraschallsender, also Meßköpfe zur Erzeugung und zur Abstrahlung von Ultraschallsignalen, andererseits Ultraschallempfänger, also Meßköpfe zum Empfang von Ultraschallsignalen und zur Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale. Zu den Ultraschallwandlern gehören aber auch Meßköpfe, die Ul­ traschallsender und Ultraschallempfänger in sich vereinigen, die also sowohl der Er­ zeugung und der Abstrahlung von Ultraschallsignalen als auch dem Empfang von Ul­ traschallsignalen und der Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektri­ sche Signale dienen.

Die Laufzeit eines Ultraschallsignals auf dem Meßpfad von dem sendenden Ultra­ schallwandler zu dem empfangenden Ultraschallwandler in einer Flüssigkeit ergibt sich aus der Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit (Mitführung). Daraus ist das in Rede stehende Prinzip der Ultraschall-Durchflußmessung nach dem Laufzeit-Verfahren abgeleitet. Es werden z. B. beim Laufzeitdifferenzverfahren in der Flüssigkeit Ultraschallsignale wechselweise oder gleichzeitig stromauf und stromab gesendet. Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit erreichen die Signale bei gleich langem geometrischen Meßpfad stromab und stromauf die Emp­ fänger nach unterschiedlichen Laufzeiten. Die Zeitdifferenz zwischen diesen unter­ schiedlichen Laufzeiten ist ein Maß für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem durch die Ultraschallwandler gebildeten Meßpfad. Bei den bekannten Laufzeit-Ver­ fahren wird der Durchfluß durch das Meßrohr bestimmt, in dem der aus der Messung resultierende Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit mit einer Geschwindig­ keitskonstanten und dem Querschnitt des Meßrohrs multipliziert wird. Die Ge­ schwindigkeitskonstante repräsentiert die Abweichung von der entlang des Meß­ pfads bestimmten mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der mittleren Geschwin­ digkeit über dem gesamten Querschnitt des Meßrohres. Diese Geschwindigkeitskon­ stante wird bei den bekannten Ultraschall-Durchflußmeßverfahren entweder anhand der Reynoldszahl berechnet oder alternativ mit Hilfe einer Eichung oder anhand der mittleren Strömungsgeschwindigkeit entlang verschiedener Meßpfade experimentell ermittelt (vgl. Abschnitt 4.1.4.3 auf Seite 16 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultra­ schall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").

Sowohl die analytische als auch die experimentelle Bestimmung der Geschwindig­ keitskonstante sind nicht dazu geeignet, den in der Regel komplizierten Strömungs­ verhältnissen innerhalb des Meßrohres vollständig Rechnung zu tragen. Dies wie­ derum führt zu einer, z. B. im Vergleich zum magnetisch-induktiven Durchflußmeßver­ fahren, erheblich reduzierten Meßgenauigkeit. Demgegenüber steht die Tatsache, daß Ultraschall-Durchflußmeßgeräte einen weiteren Einsatzbereich haben als magnetisch­ induktive Durchflußmeßgeräte, die eine Mindestleitfähigkeit des zu messenden strö­ menden Mediums voraussetzen. So können z. B. mit magnetisch-induktiven Durch­ flußmeßgeräten keine Öle gemessen werden. Somit ist die Erhöhung der Meß­ genauigkeit von Ultraschall-Durchflußmessern von besonderem Interesse.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, durch eine bessere Berücksichti­ gung der Strömungsverhältnisse im Meßrohr eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Ultraschall-Durchflußmessern zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß aus einer Doppler-Verschiebung der an in dem strömenden Medium enthaltenen Inhomogenitäten entlang des Meßpfads reflektieren Ultraschallimpulse und der Lauf­ zeit der reflektierten Ultraschallimpulse ein Strömungsprofil des strömenden Mediums bestimmt wird und anhand des so gewonnenen Strömungsprofils der Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit korrigiert wird. Das Dopplermeßverfahren, wel­ ches auf dem Dopplereffekt beruht, wird hier als bekannt vorausgesetzt, - ergänzend wird verwiesen auf Abschnitt 6.1.5 der Literaturstelle H. Bernard "Ultraschall-Durch­ flußmessung", aaO, und die Abschnitte 3.3 und 4.2 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitun­ gen". Als Reflektoren dienen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in aller Regel in einem strömenden Medium von Hause aus enthaltenen akustisch wirksamen In­ homogenitäten, wie etwa kleinere Festkörper oder Gaseinschlüsse. Werden die Ultra­ schallimpulse an diesen mitströmenden Inhomogenitäten reflektiert, so weisen die re­ flektierten Ultraschallimpulse aus dem Dopplereffekt resultierende Frequenzverschie­ bungen auf. Wertet man diese Frequenzverschiebungen in Verbindung mit den Lauf­ zeiten aus, so gelangt man zu einem Strömungsprofil des strömenden Mediums ent­ lang des Meßpfads. Dieses Strömungsprofil dient anschließend erfindungsgemäß zur Korrektur der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und führt somit aufgrund der in­ dividuellen Berücksichtigung des aktuellen Strömungsprofils zu erheblich erhöhten Meßgenauigkeiten.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich teilweise kein über einen aus­ reichend weiten Bereich der Strömungsgeschwindigkeit linearer Zusammenhang zwischen der anhand des Verfahrens bestimmten mittleren Strömungsgeschwindig­ keit und der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt des Meßrohres. Eine Linearisierung dieses Zusammenhanges läßt sich nur herstellen, indem die Korrektur der mittleren Strömungsgeschwindigkeit zusätzlich anhand bei einer Eichung ge­ wonnener Daten, etwa anhand strömungsprofil- oder geschwindigkeitsabhängiger Kennzahlen bzw. Kennlinien-Felder, vorgenommen wird.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung erfährt die vorliegende Erfindung da­ durch, daß die an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulse in veränderlichen Zeitfenstern nach Aussenden des Ultraschallimpulses ausgewertet werden. Die Aus­ gestaltung stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, um das gewünschte Strö­ mungsprofil über den Querschnitt des strömenden Mediums zu gewinnen. Der in Frage kommende Bereich für die Zeitfenster ergibt sich bei dem vorliegenden Verfah­ ren ohne zusätzlichen Aufwand aus der Gesamtlaufzeit für die Ultraschallimpulse über den Meßpfad.

Die minimale Größe der sichtbaren Inhomogenitäten in dem strömenden Medium wird bei dem vorliegenden Verfahren durch die Wellenlänge der einen Ultraschallimpuls bildenden Ultraschallwellen bestimmt. Je geringer die Wellenlänge bzw. je größer die Frequenz umso kleinere Inhomogenitäten "sieht" der Ultraschallimpuls. Ergibt die Messung, daß zur Bestimmung des Strömungsprofils nicht ausreichend reflektierte Ul­ traschallimpulse empfangen werden, so kann dies dadurch behoben werden, daß die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse erhöht wird und somit auch kleinere Inhomo­ genitäten "sichtbar" werden.

Ein dem zuletzt beschriebenen Effekt gegenläufiger Effekt ist der, daß die Dämpfung der Ultraschallimpulse in dem strömenden Medium mit erhöhter Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse zunimmt. Stellt man also bei einer Messung fest, daß zwar eine aus­ reichende Anzahl von Inhomogenitäten zur Bestimmung des Strömungsprofils vor­ handen ist, jedoch die einzelnen reflektierten Ultraschallimpulse eine für eine genaue Auswertung zu geringe Amplitude aufweisen, so ist es vorteilhaft, in diesem Fall die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse zu reduzieren und somit die Dämpfung zu vermindern, was wiederum zu einer erhöhten Amplitude der reflektierten Ultraschall­ impulse führt.

Ausgehend von einem Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien zur Ver­ wirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Meßrohr und mit mindes­ tens zwei am Meßrohr angebrachten, Ultraschallimpulse auf einen ersten Meßpfad abstrahlenden und vom ersten Meßpfad empfangenden Ultraschallwandler, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr aus der Lauf­ zeitdifferenz der Ultraschallimpulse über denn Meßpfad und aus der mittleren Strö­ mungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmbar ist, ist die erfindungsgemäße Lehre dadurch realisiert, daß mindestens zwei weitere am Meßrohr angebrachte, Ultraschall­ impulse auf einen zweiten Meßpfad abstrahlende und vom Meßpfad empfangende Ultraschallwandler vorgesehen sind und der erste Meßpfad und der zweite Meßpfad in unterschiedlichen Richtungen durch das Meßrohr verlaufen. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, da sie gewährleistet, daß auch unsymmetrische Strömungs­ profile bei der Bestimmung des Durchflusses Berücksichtigung finden.

Als besonders geeignet hat sich die Maßnahme erwiesen, daß der erste Meßpfad und der zweite Meßpfad um die Achse des Meßrohres verdreht sind und einen Winkel größer 0° und kleiner 180° - vorzugsweise von 90° - einschließen. Selbstverständlich ist auch eine weitere Mehrzahl von Meßpfaden durch entsprechende Anordnung von Ultraschallwandlern möglich, um etwaige Strömungsunsymmetrien noch besser abzufangen.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmesser auszugestalten und weiterzubilden; dies gilt insbesonde­ re in bezug auf die Verwertung des gewonnenen Strömungsprofils im Rahmen einer Eichung. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 7 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt,

Fig. 1 eine Funktionsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Lehre,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Meßrohr mit einer schematischen Darstel­ lung der Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten bei laminarer Strömung und einen Meßpfad gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Meßrohr mit einer schematischen Darstel­ lung der Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten bei laminarer Beströmung und zwei sich in einem Winkel von 90° kreuzen­ de Meßpfaden gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Lehre.

Die in Fig. 1 dargestellte Funktionsskizze eines ersten Ausführungsbeispiel zeigt ein Meßrohr 1 und zwei am Meßrohr 1 angebrachte, Ultraschallimpulse 2 auf einen Meß­ pfad 3 abstrahlende und vom Meßpfad 3 empfangende Ultraschallwandler 4, 5. Der in Fig. 1 grau hinterlegte Bereich 6 simbolisiert die Geschwindigkeitsverteilung einer laminaren Strömung innerhalb des Meßrohres 1. Gemäß den bekannten Laufzeit-Ver­ fahren wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem Meßrohr 1 aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 bestimmt. Da verschie­ dene Laufzeit-Verfahren bekannt sind, sind in Fig. 1 lediglich die von dem Ultra­ schallwandler 4 zum Ultraschallwandler 5 gesendeten Ultraschallimpulse 2 darge­ stellt. Alternierend oder gleichzeitig werden auch Ultraschallimpulse von dem Ultra­ schallwandler 5 zum Ultraschallwandler 4 ausgesandt. Aus den hieraus bestimmten Laufzeiten der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 wird nach bekannten Ver­ fahren die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr 1 be­ stimmt und anschließend aus dieser mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durch­ fluß des Mediums errechnet.

In Fig. 1 ist weiter eine akustisch wirksame Inhomogenität 7 dargestellt, die sich mit der Strömung des Mediums mitbewegt und an der ein, hier von dem Ultraschallwand­ ler 4 ausgesandter Ultraschallimpuls 8 reflektiert wurde. Dieser reflektierte Ultraschall­ impuls 8 erfährt bei seiner Reflexion eine zweifache Dopplerverschiebung, so daß sich seine Trägerfrequenz proportional zu der Geschwindigkeit der Inhomogenität 7 von der Trägerfrequenz des ursprünglichen Ultraschallimpulses 2 unterscheidet. Wird dieser reflektierte Ultraschallimpuls 8 von dem Ultraschallwandler 4 registriert und die Trägerfrequenz ausgewertet, so läßt sich aus dem Abstand zwischen der Aussendung des Ultraschallimpulses 2 und dem Empfang des reflektierten Ultraschallimpulses 8 durch den Ultraschallwandler 4 die Geschwindigkeit der Inhomogenität 7 und damit sowohl die Geschwindigkeit des Mediums als auch die Position der Inhomogenität 7 innerhalb des Meßrohres 1 bestimmen. Werden nun mehrere solcher an Inhomogeni­ täten reflektierte Ultraschallimpulse 8 empfangen und ausgewertet, so läßt sich an­ hand der somit gesammelten Daten das Strömungsprofil des strömenden Mediums entlang des Meßpfads 3 bestimmen. Dieses Strömungsprofil läßt analytisch oder an­ hand von aus einer Eichung gewonnenen Kenndaten eine Korrektur des sich aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 ergebenden mittleren Strö­ mungsgeschwindigkeit des Mediums abhängig von dem Strömungsprofil innerhalb des Meßrohres 1 zu.

In Fig. 2 der Zeichnung ist der bereits in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulichte Sachverhalt noch einmal aus einer anderen Perspektive dargestellt. Hier ist ein Quer­ schnitt durch das Meßrohr 1 dargestellt, in welchem der Meßpfad 3 von rechts oben nach links unten im Meßrohr 1 verläuft. Wie man anhand von Fig. 2 erkennt, durch­ dringt der Meßpfad 2 bei diesem Verlauf eine Vielzahl von Strömungsschichten unter­ schiedlicher Geschwindigkeit, wobei hier der Fall einer laminaren Strömung darge­ stellt ist. Die Geschwindigkeit des strömenden Mediums nimmt konzentrisch von in­ nen nach außen ab. Entsprechend ergibt sich eine unterschiedliche, auf dem Doppler­ effekt beruhende Frequenzverschiebung an in unterschiedlichen Schalen strömenden Inhomogenitäten. Wie bereits erläutert, läßt sich aus der Laufzeit der reflektierten Ul­ traschallimpulse 8 der Abstand der Inhomogenität von einem Ultraschallwandler fest­ stellen, so daß bekannt ist, in welcher "Schale" sich die Inhomogenität befindet, wo­ raus sich in Verbindung mit der Dopplerverschiebung das Strömungsprofil ergibt.

Das der Fig. 3 zugrundeliegende zweite Ausführungsbeispiel eines Ultra­ schall-Durchflußmessers zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zwei weitere, am hier nicht explizit dargestellten Meßrohr angebrachte, Ultraschallimpulse auf einen zweiten Meßpfad 9 abstrahlende und vom Meßpfad 9 empfangende Ultra­ schallwandler auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Meß­ pfad 3 und der zweite Meßpfad 9 um die Achse des Meßrohres 1 um einen Winkel von 90° verdreht. Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, daß auch unsymmetri­ sche Strömungsprofile erfaßt werden können, deren Einfluß auf die mittlere Strö­ mungsgeschwindigkeit sich anhand des Strömungsprofils entlang eines einzigen Meßpfades nicht ausreichend korrigieren ließe. Je nach erwünschter Genauigkeit und erwarteter Kompliziertheit der Strömungsverhältnisse läßt sich die Anzahl der Meß­ pfade selbstverständlich auch über zwei Meßpfade hinaus erweitern.

Claims (8)

1. Ultraschall-Durchflußmeßverfahren für strömende Medien, mit Hilfe eines Meßroh­ res und mit Hilfe mindestens zweier am Meßrohr angebrachter, Ultraschallimpulse auf mindestens einen Meßpfad abstrahlender und vom Meßpfad empfangender Ultra­ schallwandler, bei welchem die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse über den Meßpfad und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Doppler-Verschiebung der an in dem strömenden Medium enthaltenen Inhomogenitäten entlang des Meßpfads reflektierten Ultra­ schallimpulse und der Laufzeit der reflektierten Ultraschallimpulse ein Strömungs­ profil des strömenden Mediums bestimmt wird und anhand des so gewonnenen Strömungsprofils der Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der mittle­ ren Strömungsgeschwindigkeit anhand bei einer Eichung gewonnener Daten durch­ geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an Inhomo­ genitäten reflektierten Ultraschallimpulse in veränderlichen Zeitfenstern nach aus­ senden des Ultraschallimpulses ausgewertet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ reich für die Zeitfenster aus der Laufzeit für die Ultraschallimpulse über den gesamten Meßpfad bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ ner zu geringen Anzahl von an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulsen die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ ner zu geringen Amplitude der an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulse die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse reduziert wird.

7. Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien zur Verwirklichung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Meßrohr (1) und mit mindestens zwei am Meßrohr (1) angebrachten, Ultraschallimpulse (2) auf einen ersten Meßpfad (3) abstrahlenden und vom ersten Meßpfad (3) empfangenen Ultraschallwandler (4, 5), wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr (1) aus der Laufzeitdifferenz der Ultraschallimpulse (2) über den Meßpfad (3) und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei weitere, am Meßrohr (1) angebrachte Ultraschall­ impulse auf einen zweiten Meßpfad (9) abstrahlende und vom zweiten Meßpfad (9) empfangende Ultraschallwandler vorgesehen sind und der erste Meßpfad (3) und der zweite Meßpfad (9) in unterschiedlichen Richtungen durch das Meßrohr (1) verlau­ fen.

8. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßpfad (3) und der zweite Meßpfad (9) um die Achse des Meßrohres (1) ver­ dreht sind und einen Winkel größer 0° und kleiner 180° - vorzugsweise von 90° - einschließen.