DE102008026620A1

DE102008026620A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschall-Durchflussmessers

Info

Publication number: DE102008026620A1
Application number: DE102008026620A
Authority: DE
Inventors: Andreas Weber; Rolf Schmitt
Original assignee: RMG Messtechnik GmbH
Current assignee: RMG Messtechnik GmbH
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Ein Ultraschall-Durchflussmesser weist zumindest einen Ultraschall-Sender und zumindest einen Ultraschall-Empfänger auf, die einander paarweise zu zumindest einem Ultraschallpfad zugeordnet sind. Zur Kalibrierung des Ultraschall-Durchflussmessers wird in einem ersten Schritt die Zeit gemessen, die ein Ultraschall-Impuls vom Ultraschall-Sender längs des Ultraschallpfades zum Ultraschall-Empfänger benötigt. In einem weiteren Schritt wird die Zeit gemessen, die ein Ultraschall-Impuls vom Ultraschall-Sender unter jeweils einmaliger oder mehrfacher Reflexion am Ultraschall-Empfänger und am Ultraschall-Sender bis zum Ultraschall-Empfänger benötigt. Aus den gemessenen Zeiten wird eine systembedingte Verzögerungszeit bestimmt und dann bei der Kalibrierung berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschall-Durchflussmessers, der zumindest einen Ultraschall-Sender und zumindest einen Ultraschall-Empfänger aufweist, die einander paarweise zu zumindest einem Ultraschallpfad zugeordnet sind, wobei in einem Kalibrierungs-Schritt eine Zeit t_M1 gemessen wird, die ein Ultraschall-Impuls längs des Ultraschallpfades der geometrischen Länge L zum Ultraschall-Empfänger benötigt.
Ultraschall-Durchflussmesser messen die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Gas oder Flüssigkeit) in einer Rohrleitung mit Hilfe akustischer Wellen. Der konstruktive Aufbau eines entsprechenden Ultraschall-Durchflussmessers ist an sich bekannt und umfasst zumindest einen Ultraschall-Sender, der an einer Wandung der Rohrleitung angeordnet ist, und zumindest einen zugeordneten Ultraschall-Empfänger, der an der Wandung der Rohrleitung so angeordnet ist, dass er einen vom Ultraschall-Sender abgegebenen Ultraschall-Impuls empfängt. Dabei kann die Anordnung von Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger (Ultraschallpfad- Geometrie) so gewählt werden, dass der Ultraschall-Sender und der Ultraschall-Empfänger einander gegenüberliegen, oder aber dass der Ultraschall-Impuls auf dem Weg vom Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Empfänger einmalig oder mehrfach an der Rohrwandung reflektiert wird. Die zwischen der Abgabe des Ultraschall-Impulses am Ultraschall-Sender und dem Empfang des Ultraschall-Impulses am Ultraschall-Empfänger verstrichene Zeit wird gemessen und einer weiteren Auswertung zugeführt.
Es ist notwendig, einen Ultraschall-Durchflussmesser zumindest zu Beginn des Betriebes einer Kalibrierung zu unterziehen, wie sie in den entsprechenden Vorschriften beschrieben ist. Diese Einstellung ist notwendig, da in dem Ultraschall-Durchflussmesser neben der Übertragungs- bzw. Laufzeit des Ultraschall-Impulses vom Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Empfänger auch eine sogenannte Verzögerungszeit innerhalb des Messsystems auftritt, die durch die signal-verarbeitende Elektronik, die Eigenschaften von Signalwandlern oder durch die Berechnungs-Algorithmen begründet sein kann. Die Verzögerungszeit beeinflusst die Auswertung der Messung wesentlich und verfälscht die Ergebnisse, so dass sie möglichst exakt bestimmt werden muss, um sie bei der Auswertung berücksichtigen zu können. Die Verzögerungszeit kann jedoch nicht direkt bestimmt werden, sondern muss mit aufwändigen und somit kostenintensiven Verfahren gemessen werden.
Wenn sich ein ruhendes Medium zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger befindet, ist die gemessene Laufzeit eines Ultraschall-Impulses zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger gegeben zu: tM = tI + tW (1)mit

t_M: = gemessene Laufzeit
t_I: = tatsächliche Laufzeit
t_W: = Verzögerungszeit.

Die tatsächliche Laufzeit t_I ergibt sich aus dem geometrischen Weglänge L zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger geteilt durch die Schallgeschwindigkeit C des Ultraschall-Impulses in diesem Medium. Somit gilt: tM = LC + tw (2)oder nach Umformung: tW = tM – LC (3)
Um die Verzögerungszeit t_w zu errechnen, müssen die anderen Größen dieser Gleichung sehr genau bestimmt werden. Dabei wird die Laufzeit t_M direkt mittels des Ultraschall-Durchflussmessers gemessen und liegt somit vor. Der Abstand L lässt sich ebenfalls exakt bestimmen, was zumindest für Ultraschall-Durchflussmesser gilt, bei denen der Ultraschall-Sensor und der Ultraschall-Empfänger gegenüberliegend angeordnet sind und somit der Ultraschall-Impuls auf direktem Wege und ohne Reflexionen übertragen wird.
Wesentlich anspruchsvoller ist die Bestimmung der theoretischen Schallgeschwindigkeit C. Sie kann nach bekannten und üblichen Algorithmen berechnet werden, bei denen die Zusam mensetzung des Gases, die aktuelle Gas-Temperatur und der aktuelle Gas-Druck berücksichtigt werden. Um den Messaufwand gering zu halten, wird der Ultraschall-Durchflussmesser üblicherweise mit einem Gas gefüllt, von dem die Schallgeschwindigkeit bekannt ist, wobei es sich beispielsweise um Stickstoff (N₂) handeln kann. Der Gas-Druck und die Gas-Temperatur müssen während der Messung konstant gehalten und darüber hinaus sehr genau gemessen werden. Dabei ist insbesondere die Messung der Gas-Temperatur sehr schwierig, da sich verschiedene Temperaturniveaus innerhalb des Ultraschall-Durchflussmessers einstellen können. Es hat sich gezeigt, dass die vorzunehmenden Messungen eine Vielzahl von Fehlerquellen enthalten, so dass eine genaue Bestimmung der theoretischen Schallgeschwindigkeit nicht möglich und eine akzeptable Genauigkeit nur mit sehr großem Messaufwand zu erreichen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschall-Durchflussmessers zu schaffen, mit dem sich die Verzögerungszeit t_W in einfacher Weise genau bestimmen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass in einem weiteren Kalibrierungs-Schritt eine Zeit t_M2 gemessen wird, die ein Ultraschall-Impuls vom Ultraschall-Sender unter jeweils zumindest einmaliger Reflexion am Ultraschall-Empfänger und am Ultraschall-Sender bis zum Ultraschall-Empfänger benötigt. Dabei legt der Ultraschall-Impuls bei jeweils n Reflexionen einen Weg von (2n + 1)·L zurück. Aus den beiden gemessenen Zeiten t_M1 und t_M2, die sich jeweils aus der tatsächlichen Laufzeit t_i und der Verzögerungszeit t_W zusammensetzen, lässt sich die Ver zögerungszeit t_W bestimmen, wie im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert wird, in denen beispielhaft eine Konfiguration mit einander gegenüberliegendem Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger dargestellt ist, wobei
1 den Ultraschall-Durchflussmesser mit dem Verlauf des Ultraschall-Impulses bei direkter Messung und
2 den Ultraschall-Durchflussmesser mit dem Verlauf des Ultraschall-Impulses bei reflektierter Messung
zeigen.
Gemäß den Figuren umfasst ein Ultraschall-Durchflussmesser 10 einen Ultraschall-Sender 11, der an einer Wandung 13 einer Rohrleitung 14 angeordnet ist. An der gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung 14 ist ein Ultraschall-Empfänger 12 angeordnet, der einen von dem Ultraschall-Sender 11 abgegebenen Ultraschall-Impuls empfangen kann, dessen Bahn mit 15 bezeichnet ist. Der Abstand zwischen dem Ultraschall-Sender 11 und dem Ultraschall-Empfänger 12 ist mit L bezeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei Kalibrierungs-Schritte in beliebiger Folge durchgeführt. Einerseits erfolgt eine direkte Messung, wie sie in 1 dargestellt ist. Dabei gibt der Ultraschall-Sender 11 einen Ultraschall-Impuls ab, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf direkter, geradliniger Bahn 15 zum Ultraschall- Empfänger 12 gelangt und dabei einen Weg entsprechend der geometrischen Länge L zurücklegt. Dabei gilt: tM1 = tI1 + tW (4)mit

t_M1:: durch die direkte Messung gemessene Laufzeit
t_I1:: tatsächliche direkte Laufzeit
t_w:: systembedingte Verzögerungszeit

Die bei der direkten Messung auftretende tatsächliche Laufzeit t_I1 lässt sich mit Weglänge L und der Schallgeschwindigkeit C darstellen zu: tI1 = LC (5)so dass sich nach Einsetzen in die oben genannte Formel (4) ergibt: tM1 = LC + tw (6)
Durch Umformung dieser Gleichung ergibt sich für die Schallgeschwindigkeit C
Zusätzlich zu der direkten Messung wird auch der reflektierte Ultraschall-Impuls, das sogenannte erste Echo erfasst, wie es beispielhaft in 2 dargestellt ist. Auch die Erfassung mehrfach reflektierter Ultraschall-Impulse (2., 3., ... n-tes Echo)ist möglich. Der konstruktive Aufbau entspricht beispielhaft der Darstellung in 1, wobei nunmehr bei der reflektierten Messung derjenige Ultraschall-Impuls gemessen wird, der von dem Ultraschall-Sensor 11 abgegeben wird und auf direktem Wege zum Ultraschall-Empfänger 12 verläuft, dort reflektiert und auf direktem Wege zum Ultraschall-Sender 11 zurückkehrt, dort nochmals reflektiert und auf direktem Wege zum Ultraschall-Empfänger 12 gelangt, so dass der Ultraschall-Impuls dabei einen Weg zurücklegt, der dem dreifachen Abstand zwischen dem Ultraschall-Sender 11 und dem Ultraschall-Empfänger 12 entspricht, d. h. 3L beträgt.
Entsprechend ergibt sich bei jeweils n-facher Reflexion an Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger eine Weglänge von (2n + 1)·L.
Die bei der n-fach reflektierten Messung für die Übertragung des Ultraschall-Impulses gemessene Zeit t_M2 lässt sich darstellen zu: tM2 = tI2 + tW (8)mit

t_M2:: durch die reflektierte Messung gemessene Laufzeit
t_I2:: tatsächliche reflektierte Laufzeit
t_W:: systembedingte Verzögerungszeit

Die bei der reflektierten Messung auftretende tatsächliche Laufzeit t_I2 lässt sich mit dem Weg (2n + 1)·L und der Schallgeschwindigkeit C darstellen zu:
so dass sich nach Einsetzen in die oben genannte Formel (8) ergibt:
Durch Umformung dieser Gleichung ergibt sich für die Schallgeschwindigkeit C
Da die Schallgeschwindigkeiten in beiden Messungen gleich sind, da es sich jeweils um das gleiche Medium handelt und sich auch die äußeren Versuchs- bzw. Messbedingungen nicht geändert haben, lassen sich die beiden Formeln (7) und (11) für die Schallgeschwindigkeit gleichsetzen, so dass sich ergibt:
Durch Auflösen dieser Gleichung nach der systembedingten Verzögerungszeit t_W ergibt sich:
Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, dass sich aus den gemessenen Laufzeiten, die sich bei den beiden erfindungsgemäßen Kalibrierungsschritten ergeben, in einfacher Weise die genaue systembedingte Verzögerungszeit t_W ermitteln lässt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind mehrere signifikante Vorteile verbunden. Einerseits ist es nicht notwen dig, die Zusammensetzung des Gases in dem Ultraschall-Durchflussmesser, d. h. zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger zu kennen, um die Verzögerungszeit t_W ermitteln zu können.
Darüber hinaus sind die Messungen unabhängig von dem theoretischen Wert der Schallgeschwindigkeit in dem jeweiligen Gas. Auch der absolute Wert der Schallgeschwindigkeit muss nicht bekannt sein und auch der Gas-Druck und die Gas-Temperatur müssen nicht gemessen werden.
Die Kalibrierung oder Einstellung des Ultraschall-Durchflussmessers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jederzeit durchgeführt werden und es ist insbesondere möglich, die Kalibrierung zu automatisieren, indem die entsprechende Steuersoftware automatisch die beiden Messungen durchführt und auswertet.
Ein wesentlicher Vorteil besteht des weiteren darin, dass die Kalibrierung des Ultraschall-Durchflussmessers nicht im Labor erfolgen muss, sondern am Einbauort unter Betriebsbedingungen erfolgen kann.

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschall-Durchflussmessers (10), der zumindest einen Ultraschall-Sender (11) und zumindest einen Ultraschall-Empfänger (12) aufweist, die einander paarweise zu zumindest einem Ultraschallpfad zugeordnet sind, wobei in einem Kalibrierungs-Schritt eine Zeit t_M1 gemessen wird, die ein Ultraschall-Impuls vom Ultraschall-Sender (11) längs des Ultraschallpfades der geometrischen Länge L zum Ultraschall-Empfänger (12) benötigt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Kalibrierungs-Schritt eine Zeit t_M2 gemessen wird, die ein Ultraschall-Impuls vom Ultraschall-Sender (11) unter jeweils n-maliger Reflexion am Ultraschall-Empfänger (12) und am Ultraschall-Sender (11) auf einem Weg der Länge (2n + 1)·L bis zum Ultraschall-Empfänger (12) benötigt und dass aus den gemessenen Zeiten t_M1 und t_M2 eine durch den Ultraschall-Sender (11) und/oder den Ultraschall-Empfänger (12) und/oder durch elektronische Bauteile einer Auswerteeinheit bedingte Verzögerungszeit t_W bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils einfach reflektierte Ultraschallimpuls (1. Echo)ausgewertet wird und aus den gemessenen Zeiten t_M1 und t_M2 die Verzögerungszeit t_W bestimmt wird zu: