DE102004053860A1

DE102004053860A1 - Ultraschallzähler zur Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums

Info

Publication number: DE102004053860A1
Application number: DE200410053860
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Dipl.Ing. Sonnenberg; Roland Messthaler
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-11-05
Also published as: DE102004053860B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Ultraschallzähler 1 zur Bestimmung der Druchflussmenge eines strömenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases mit einem Gehäuse 2, einer innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten, insbesondere durch ein Messrohr 11 gebildeten Messstrecke 3, entlang der eine Laufzeitmessung, insbesondere Differenzlaufzeitmessung, durchführbar ist, mindestens einem Ultraschallwandler 2, dessen Ultraschallwelle entweder unmittelbar oder nach Umlenkung durch einen Spiegel 4 in die Messstrecke 3 gelangt, wobei der Ultraschallwandler 2 oder der Spiegel 4 im Wesentlichen geradlinig angeströmt und/oder umströmt wird, wobei auf der Einlaufseite im Bereich der Einlassöffnung 5 der Messstrecke 3 Strömungsleitmittel vorgesehen sind, die die Ausbildung von Sekundärströmungen in Querrichtung, Gegenrichtung oder zumindest schräg zur Längsachse des Gehäuses verhindern oder zumindest reduzieren oder unschädlich machen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallzähler zur Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases mit einem Gehäuse, einer innerhalb des Gehäuses angeordneten, insbesondere durch ein Messrohr gebildete Messstrecke, entlang der eine Laufzeitmessung, insbesondere Differenzlaufzeitmessung, durchführbar ist, mindestens einem Ultraschallwandler, dessen Ultraschallwelle entweder unmittelbar oder nach Umlenkung durch einen Spiegel in die Messstrecke gelangt, wobei der Ultraschallwandler oder der Spiegel im wesentlichen geradlinig angeströmt und/oder umströmt wird.

Ein entsprechender Ultraschallzähler ist bereits aus DE-G 94 20 760 bekannt. Die Ultraschallwelle wird hierbei mittels eines Ultraschallwandlers, welcher im Gehäuse des Ultraschallzählers sitzt, erzeugt und über einen einseitig umströmten Spiegel in die Messstrecke umgelenkt. Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund der Strömungsaufteilung am Spiegel oder bei einem mediumumströmten Wandler aufgrund der Strömungszusammenführung stromabseitig des Spiegels bzw. Wandlers aufgrund unterschiedlicher Strömungsimpulse Sekundärströmungen, insbesondere Querströmungen oder sogar rückwärts gerichtete Strömungen entstehen, die das Messergebnis des Ultraschallzählers nachteilig beeinträchtigen. Diese Sekundärströmungen können sowohl stationäre als auch instationäre Zustände aufweisen. Derartige Sekundärströmungen könnte man durch einen kegelförmigen oder gerundeten Einlass in die Messstrecke ebenfalls verhindern oder reduzieren. Ein solcher Einlass hat allerdings den gravierenden Nachteil, dass die Ultraschallwelle an diesem reflektiert und hierdurch unvorteilhafte Interferenzen mit der Hauptwelle entstehen, die ebenfalls das Messergebnis des Ultraschallzählers nachteilig beeinträchtigen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuartigen Ultraschallzähler zur Verfügung zu stellen, bei dem die vorgenannte Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund störender Strömungen nicht mehr eintreten kann, ohne dabei das Ultraschallsignal nachteilig zu beeinflussen.

Die vorliegende Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Ultraschallzähler dadurch gelöst, dass auf der Einlaufseite im Bereich der Einlassöffnung der Messstrecke nach dem strömungsteilenden Element (Wandler oder Spiegel) Strömungsleitmittel vorgesehen sind, die die Ausbildung von Sekundärströmungen in Querrichtung, Gegenrichtung oder zumindest schräg zur Längsachse des Gehäuses verhindern oder zumindest reduzieren oder unschädlich machen. Diese Mittel haben den Vorteil, dass keine wesentlichen Reflektionen des Ultraschallsignals entstehen. Dadurch, dass im Bereich der Einlassöffnung der Messstrecke zwischen dem umströmten Wandler bzw. umströmten Spiegel, dem Gehäuse, also im Strömungsraum der Einlaufseite Strömungsleitmittel vorgesehen sind, die die Ausbildung von Strömungen in Querrichtung oder schräg zur Längsachse des Gehäuses bzw. der Messstrecke verhindern oder reduzieren, wird der Grad dieser das Messergebnis beeinträchtigenden Störströmungen reduziert und die Messgenauigkeit des Ultraschallzählers erhöht. Von der Idee ist es auch umfasst, dass die Strömungsleitmittel nachteilige Strömungen, also solche Strömungen, die nicht parallel zur Messstrecke verlaufen, in Bereiche ablenken, wo sie auf das Messergebnis keinen Einfluss mehr haben.

Dadurch, dass sich die Mittel im Strömungsraum der Einlaufseite (also zwischen mediumumströmtem Ultraschallwandler bzw. Spiegel und der Messstrecke bzw. Befestigung des Messrohrs) zur Messstrecke, d. h. zum Messrohr befinden, werden vor allem auch Rückstau-bedingte Rückströmungen durch die Strömungsleitmittel derart beeinflusst, dass sie das Messergebnis nicht verschlechtern.

Derartige Rückströmungen treten vor allem am Rand des aktiven Strömungsraums, insbesondere im Bereich des Zwischenraums zwischen Messstrecke bzw. Messrohr und dem Gehäuse auf. Derartige Toträume sind in der Regel konstruktiv bedingt. Es handelt sich hierbei um Bereiche, in denen sich die Hauptströmung ablöst.

Zweckmäßigerweise befinden sich die Strömungsleitmittel entlang des Umfangs der Messstrecke bzw. des Messrohrs – insbesondere symmetrisch verteilt – verteilt, so dass eine Rückströmung, die beispielsweise entlang des Messrohrs zurück in Richtung umströmten Wandler bzw. umströmten Spiegel verläuft, gleichgerichtet d. h. linearisiert wird.

Derartige Mittel teilen zweckmäßigerweise die gesamten Strömungsquerschnitt in einzelne Taschen auf, so dass eine störende Strömung, z. B. Rückströmung gleichgerichtet wird, wenn sie durch die betreffenden Taschen hindurchströmt. Diese Taschen bewirken auch, dass Ultraschallsignale nicht mehr in die Messstrecke zurück gelangen können.

Die Taschen können z. B. eine sich verbreiternde Form haben, beispielsweise durch strahl- bzw. sternförmig verlaufende Stege.

Alternativ hierzu können die Taschen auch durch im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufende Stege gebildet werden.

Die Strömungsleitmittel können gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch als Lochplatte ausgestaltet sein. Hierdurch wird ein Sekundärraum gebildet, in den durch darin vorgesehene Durchbrechungen schädliche Sekundärströmungen überführt werden, die sich dort totlaufen, d. h. keinen schädlichen Einfluss auf die Gegebenheiten in der Messstrecke mehr nehmen können. In einem durch die Strömungsleitplatte insbesondere Lochplatte gebildeten Hinterraum werden zudem partielle Druckdifferenzen durch Sekundärströmung ausgeglichen.

Alternativ kann durch die Ausbildung der Lochplatte, d. h. beispielsweise durch die Richtung der Durchbrechungen in der Lochplatte, erreicht werden, dass die Sekundärströmung lediglich in Bereiche zurückgelangt, in denen keine Beeinträchtigung der Hauptströmung mehr erfolgt.

Zweckmäßigerweise können die Strömungsleitmittel integraler Bestandteil des Messrohrs oder des Gehäuses sein. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei der das Gehäuse, die Strömungsleitmittel und das Messrohr als ein Bauteil (welches gegebenenfalls aus zwei Schalen zusammensetzbar ist) ausgebildet ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strömungsleitmittel derart ausgebildet sind, dass sie das Ultraschallsignal, welches ausgewertet wird, nicht beeinflussen, insbesondere nicht reflektieren.

Weiterhin können die Strömungsleitmittel auch aus schallweichem, d. h. Schall nicht reflektierendem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Elastomer bestehen.

In Bezug auf die Lochplatte kann dies dadurch erreicht werden, dass eine membranartige Lochplatte verwendet wird oder die Lochplatte aus schalldurchlässigem Material wie z. B. Kunststoff besteht.

In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn die Stärke der Strömungsleitmittel bzw. Stege kleiner als die zweifache, insbesondere einfache Wellenlänge der Ultraschallwelle ist, so dass die Ultraschallwelle durch den Strömungsquerschnitt der Strömungsleitmittel bzw. Stege nicht wesentlich beeinflusst wird.

Nachstehend werden zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Zeichnungsfiguren näher erläutert. Sich wiederholende Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber mit gleichbleibenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 eine Teilschnittdarstellung durch eine Ausgestaltung eines Ultraschallzählers gemäß dem Stand der Technik;

2 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene A-A der Ausgestaltung nach 1;

3 eine Teilschnittdarstellung durch verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ultraschallzählers im Bereich des Einlaufs der Messstrecke (3A–3C);

4 eine Schnittdarstellung der Ausgestaltung des Ultraschallzählers nach 3 in der Ebene B-B;

5 eine Schnittdarstellung durch eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Bereich des Einlaufs der Messstrecke;

6 eine Schnittdarstellung durch eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Bereich des Einlaufs der Messstrecke;

7 eine Teilschnittdarstellung durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallzählers im Bereich des Einlaufs der Messstrecke.

Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet einen Ultraschallzähler gemäß dem Stand der Technik. Die Darstellung gemäß 1 ist eine Teildarstellung eines Ultraschallzählers 1. Sie zeigt lediglich den Einlaufbereich der Messstrecke 3. Der Ultraschallzähler umfasst ein röhrenförmiges Gehäuse 2, welches in einer darin befindlichen Ausnehmung den Ultraschallwandler 12 beherbergt. Der Ultraschallzähler 1 umfasst des weiteren an der Oberseite des Spiegels 4 eine Strömungsleiteinrichtung, die bewirkt, dass die an der Rückseite des Spiegels 4 eintreffende Strömung in eine Strömungsrichtung parallel zur Spiegeloberfläche umgeleitet wird.

Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein schräg gestellter Spiegel 4, welcher dazu dient, die vom Ultraschallwandler 12 ausgesandte Ultraschallwelle um einen Winkel von 90° umzulenken, so dass die Ultraschallwelle nach der Umlenkung in Längsrichtung zum Gehäuse 2 verläuft. Hierzu wird der Spiegel 4 mittels eines in das Gehäuse 2 eingesetzten Spiegelhalters 13 in Position gehalten.

Der Spiegelhalter 13 ist aus zwei (in 1 nicht sichtbaren Schalen) aufgebaut und umfasst eine umlaufende Ausnehmung zur Fixierung des radial vorstehenden, umlaufenden Vorsprungs des Messrohrs 11. Eine entsprechende Anordnung befindet sich auch an dem anderen (nicht dargestellten) Ende des Ultraschallzählers 1.

Die vorbeschriebene Anordnung macht es möglich, dass das den Ultraschallzähler 1 durchströmende Medium, z. B. Wasser, linear d. h. parallel zur Längsrichtung des Gehäuses 2 bzw. Messrohrs 11 die Rückseite des Spiegels 4 anströmt, diesen umströmt und in den Strömungsraum 6 einströmt.

Es wurde nun festgestellt, dass bei dieser linearen Anströmung, bei der das strömende Medium den Spiegel 4 allseitig umströmt, insbesondere aufgrund der Strömungszusammenführung nach dem Spiegel im Bereich des Messrohrs sekundäre Querströme (in 2 gestrichelte Pfeile) entstehen. Je freiräumiger der Strömungsraum 6 um den Spiegel 4 herum ausgebildet ist, desto intensiver entstehen diese Querströmungen. Vor allem entstehen diese Querströmungen auch in dem Totraum 7 am Rand des Strömungsraums 6, z. B. zwischen dem Messrohr 11 und dem Gehäuse 2 (vgl. 2). In diesem Bereich löst sich die Hauptströmung ab, es bilden sich Sekundärströmungen.

Nach der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nach 3 sind im Bereich des Messrohrs 11 im Strömungsraum 6 Strömungsleitmittel z. B. in Form von Stegen 9 vorgesehen, die bei einer Rückströmung die schräg oder quer verlaufenden Strömungskomponenten blockieren. Diese Stege 9 sind als längliche, schmal ausgebildete Stege zwischen dem Gehäuse 2 und dem Messrohr 11 angeordnet. Sie können den dazwischen befindlichen Raum vollständig ausfüllen (3A und 3C) oder aber auch lediglich über einen Teilbereich vorgesehen sein (3B). Bei der Ausgestaltung der 3C besitzen die Stege 9 eine Einlaufkontur. Zudem ist die Stirnfläche keilförmig ausgebildet, um die Schallwelle möglichst nicht zu beeinträchtigen, d. h. Reflektionen zu vermeiden.

Wie aus 4 (das Gehäuse 2 besitzt dort eckige Form) deutlich wird, befinden sich die Strömungsleitmittel d. h. Stege 9 insbesondere in symmetrischer Anordnung entlang des Umfangs um das Messrohr 11 herum. Hierdurch werden einzelne Taschen 8 gebildet, innerhalb welcher die durch die Taschen 8 zurückströmende Strömung (Rückströmung) im wesentlichen gleichgerichtet wird. Bei dieser Ausgestaltung laufen die Stege 9 vom Gehäuse 2 bis zum Messrohr 11. Auch bei dieser Ausgestaltung besitzen die Stege 9 an ihrer der Strömung zugewandten Stirnseite eine keilförmige Ausbildung.

Die Ausgestaltungen nach den 5 und 6 zeigen jeweils unterschiedliche Anordnungen der Stege 9 zur Erzeugung unterschiedlicher Taschen 8. Die Taschen 8 sind bei der Ausgestaltung nach 5 rechtwinklig ausgebildet und bei der Ausgestaltung nach 6 (bis auf den Teilbereich des Messrohrs 11) quadratisch ausgebildet.

7 zeigt als Strömungsleitmittel eine insbesondere schalldurchlässige Lochplatte 10, die eine Mehrzahl von einzelnen Öffnungen 15 aufweist. Durch diese Öffnungen 15 wiederum strömt das strömende Medium hindurch, wobei im dahinter befindlichen Raum (Rückraum 16) Verwirbelungen d. h. Sekundärströmungen entstehen, die allerdings aufgrund der Lochplatte 10 keinen schädlichen Einfluss mehr ausüben können. Auch werden hierdurch partielle Druckdifferenzen aufgrund der im Rückraum 16 sich entwickelnden Sekundärströmung ausgeglichen. Die Öffnungen 15 können (dies ist nicht in 7 dargestellt) vom Totraum 7 aus betrachtet nach außen, d. h. zum Gehäuse 2 hin verlaufend orientiert sein, wodurch die aus dem Totraum 7 wieder austretende Sekundärströmung die Hauptströmung nicht mehr negativ beeinträchtigen kann.

Die betreffenden Strömungsleitmittel d. h. Stege können einstückig mit dem Messrohr 11 oder dem Gehäuse 2 ausgebildet sein. Ebenso gut kann das Gehäuse 2, die Strömungsleitmittel sowie das Messrohr 11 einstückig (gegebenenfalls aufgebaut aus zwei Längsschalen) konzipiert sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können sich zwischen den einzelnen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unterscheidende Merkmale untereinander ausgetauscht werden, ohne dass das Prinzip der Erfindung hierdurch verlassen wird. Beliebige Kombinationen von Merkmalen der einzelnen Ausgestaltungen sind ausdrücklich vom Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung umfasst.

Die vorliegende Erfindung gewährleistet durch die wirksame Unterbindung von Sekundärströmungen im Bereich der Einlassöffnung der Messstrecke eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit von Ultraschallzählern im Vergleich zu herkömmlichen Zählern. Die Erfindung schafft daher einen wichtigen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet der Technik.

1: Ultraschallzähler
2: Gehäuse
3: Messstrecke
4: Spiegel
5: Einlassöffnung
6: Strömungsraum
7: Totraum
8: Tasche
9: Steg
10: Lochplatte
11: Messrohr
12: Ultraschallwandler
13: Spiegelhalter
14: Strömungsleiteinrichtung
15: Öffnung
16: Rückraum

Claims

Ultraschallzähler (1) zur Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases mit einem Gehäuse (2), einer innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten, insbesondere durch ein Messrohr (11) gebildeten Messstrecke (3), entlang der eine Laufzeitmessung, insbesondere Differenzlaufzeitmessung, durchführbar ist, mindestens einem Ultraschallwandler (2), dessen Ultraschallwelle entweder unmittelbar oder nach Umlenkung durch einen Spiegel (4) in die Messstrecke (3) gelangt, wobei der Ultraschallwandler (2) oder der Spiegel (4) im Wesentlichen geradlinig angeströmt und/oder umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einlaufseite im Bereich der Einlassöffnung (5) der Messstrecke (3) Strömungsleitmittel vorgesehen sind, die die Ausbildung von Sekundärströmungen in Querrichtung, Gegenrichtung oder zumindest schräg zur Längsachse des Gehäuses verhindern oder zumindest reduzieren oder unschädlich machen.
Ultraschallzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel sich im Strömungsraum (6) der Einlaufseite befinden.
Ultraschallzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel außerhalb des aktiven Strömungsraumes, im Totraum (7) am Rand des Strömungsraums (6) insbesondere zwischen Gehäuse (2) und Messstrecke (3) bzw. Messrohr (11) sich befinden.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel sich entlang des Umfangs der Messstrecke (3) dort insbesondere symmetrisch verteilt befinden.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel den gesamten Querschnittsbereich in einzelne Taschen (8) aufteilen.
Ultraschallzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (8) durch strahl- oder sternförmig verlaufende Stege (9) gebildet werden.
Ultraschallzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen durch im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufende Stege (9) gebildet werden.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel eine, insbesondere membranartige, Lochplatte (10) vorgesehen ist.
Ultraschallzähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich hinter der Lochplatte (10) eine Sekundärströmung bildet, die durch die Lochplatte (10) daran gehindert wird, in den Strömungsraum (6) zurückzugelangen oder zumindest in Bereiche zurückgelangt, in denen keine Beeinträchtigung der Hauptströmung erfolgt.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel integraler Bestandteil des Messrohrs (11) sind.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel integraler Bestandteil des Gehäuses (2) sind.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel bzw. Stege (9) derart ausgebildet sind, dass sie die Ultraschallwelle nicht oder zumindest nicht wesentlich beeinträchtigen.
Ultraschallzähler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Mittel bzw. Stege (9) kleiner als die zweifache Wellenlänge, insbesondere kleiner als die einfache Wellenlänge der Ultraschallwelle ist.
Ultraschallzähler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel aus schallweichem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Elastomer bestehen.
Ultraschallzähler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel das Ultraschallsignal so reflektieren, dass es nicht mehr zum Empfangswandler gelangen kann.