DE10235060A1

DE10235060A1 - Gekrümmte Ultraschall-Messstrecke

Info

Publication number: DE10235060A1
Application number: DE2002135060
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Sonnenberg; Günther HAUENSTEIN; Roland Meyer
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: DE10235060B4

Abstract

Ultraschall-Messstrecke, insbesondere gekrümmte Ultraschall-Messstrecke, für Durchflussmesser für fluide Medien, mit mindestens einem in der Messstrecke angeordneten Reflektor, um von Ultraschallwandlern erzeugte Ultraschallsignale in und gegen die Strömungsrichtung des fluiden Mediums durch die Messstrecke zu leiten, wobei mindestens eine Wand der Messstrecke und/oder mindestens ein Reflektor so ausgebildet ist, dass wesentliche Anteile der Ultraschallsignale außer den an den Reflektoroberflächen reflektierten Ultraschallwellen so beeinflusst werden, dass sie am empfangenden Wandler innerhalb eines für die Ultraschallmessung notwendigen Zeitabschnittes nicht auftreffen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Messstrecke, insbesondere gekrümmte Ultraschall-Messstrecke, für Durchflussmesser für fluide Medien, mit mindestens einem in der Messstrecke angeordneten Reflektor um von Ultraschall-Wandlern erzeugte Ultraschall-Signale in und gegen die Strömungsrichtung des fluiden Mediums durch die Messstrecke zu leiten.
Ein allgemein bekannter Nachteil derartiger gekrümmter Ultraschall-Messstrecken mit mehreren Reflektoren besteht darin, dass die Reflektoren nur einen Teilbereich der Schallkeule erfassen, sodass neben dem reflektierten Ultraschall auch noch parasitäre Schallanteile entstehen. Diese existieren auch dann, wenn die Spiegel den Schall zwar optimal reflektieren aber in ihrer Ausdehnung begrenzt sind. Diese parasitären Schallanteile können in der Messstrecke weiterlaufen und werden an der Gehäusewand reflektiert (parasitäre Echos). Dadurch entstehen Schallsignale unterschiedlichster Wegstrecke. So entstehen beispielsweise aus einem Sendeburst von z. B. 30 Schwingungen ein Empfangsburst, welcher sich aus unterschiedlichen Schallenteilen zusammensetzt. Dies führt zu Interferenzen und damit zur Verfälschung der Empfangszeit. Diese Überlagerung kann dann letztendlich bei Änderung der Schallgeschwindigkeit, z. B. durch eine Temperaturänderung, zu Offsetverschiebungen führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere gekrümmte Ultraschall-Messstrecke zu schaffen, bei der parasitäre Echos weitestgehend vermieden sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine Wand der Messstrecke und/oder mindestens ein Reflektor so ausgebildet ist, dass wesentliche Anteile der Ultraschallsignale außer den an den Reflektoroberflächen reflektierten Ultraschall-Wellen so beeinflusst werden, dass sie am empfangenden Wandler innerhalb eines für die Ultraschallmessung notwendigen Zeitabschnittes nicht auftreffen.
Zu diesem Zweck kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass keine reflektierten Ultraschall-Wellen von Wandungsabschnitten außerhalb der Reflektorstellen in die Messstrecke gelangen können, was wiederum durch eine Reihe unterschiedlicher Maßnahmen realisierbar ist.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ultraschall-Wellenwiderstand der Wand der Messstrecke im Wesentlichen gleich dem Ultraschall-Wellenwiderstand des fluiden Mediums ist, was durch entsprechende Auswahl des Materials, aus dem die Wand der Messstrecke besteht, erreicht werden kann.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Wand eine dünne Membran ist, hinter der sich das gleiche fluide Medium wie in der Messstrecke befindet. Die dünne Membran selbst kann nur minimale Ultraschall-Anteile reflektieren, der größte Teil des Ultraschalls läuft durch und kann im Raum hinter der Wand durch geeignete, noch zu diskutierende Maßnahmen vernichtet werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Wand aus Ultraschall dämpfendem Material besteht, beispielsweise aus Polyvinyldifluorid PVDF oder Polyethersulfon PES oder PTFE (Teflon).
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung lässt sich das Auftreten von störenden, an der Wand außerhalb von Reflektorstellen reflektierten Ultraschallwellen auch dadurch verhindern, dass die Wand so gestaltet, insbesondere ihre Oberfläche derart geformt ist, dass ein kontinuierlicher Übergang des Ultraschallwellen-Widerstandes stattfindet. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Wand mit Rillen versehen ist, vorzugsweise dass ihre Oberfläche ein Sägezahnprofil aufweist. Beim Auftreffen einer Ultraschall-Welle auf eine derartige Sägezahnwand ergibt sich ein allmählicher Übergang vom fluiden Medium in das Medium der Wand, sodass reflektierte Ultraschall-Wellen praktisch nicht entstehen.
Alternativ kann die Wand auch so ausgebildet sein, dass an ihr reflektierte Schallwellen umgelenkt und auf Wandabschnitte mit Reflexionsverhütung gerichtet werden, sodass sie letztendlich ebenfalls nicht in die Ultraschall-Messstrecke, zumindest nicht bis zu deren Ende, wo die Messungen stattfinden, gelangen können. Die austretenden Ultraschallanteile sollen – zur Verhinderung einer späteren Rückreflexion in die Ultraschallmessstrecke – gedämpft, gebeugt, reflektiert oder durch freie Laufstrecken verzögert werden, sodass sie aus dem Zeitfenster für eine Laufzeitmessung herausfallen.
Neben der vorstehend bevorzugt angesprochenen Verhinderung von störenden Ultraschall-Signalen, die an der Wandung außerhalb der Reflektorstellen reflektiert werden, ist es für die erfindungsgemäße Verhinderung parasitärer Echos auch wesentlich, dass Ultraschall-Wellen nur an den Reflektoroberflächen reflektiert werden (Totalreflexion). Gelangen sie nach unten und werden dann an der Rückfläche des Spiegels nochmals reflektiert, so hat man verzögerte parasitäre Signale, die in gleicher Weise stören, wie Signale von der Messstreckenwand. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass die Reflektoren so ausgebildet und an geordnet sind, dass eine Totalreflexion der Ultraschall-Wellen an der Reflektoroberfläche stattfindet, wobei darüber hinaus vorgesehen sein kann, dass der Einfallswinkel α der Ultraschall-Wellen an den Reflektoren kleiner ist als 54° und größer ist als 39°.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine bogenförmige Messstrecke mit einer Schallumlenkung,
2 eine der 1 entsprechende bogenförmige Messstrecke mit sägezahnartig profilierter Innenwand der Messstrecke,
3 einen Schnitt längs der Linie III-III durch eine Anordnung, bei der die Außenwand der Messstrecke zur Reflektion von parasitären Signalen aus der Messstrecke heraus geneigt ausgebildet ist und
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messstrecke.
In der in 1 schematisch dargestellten gekrümmten Ultraschall-Messstrecke ist die Außen-Wand der Messstrecke 1 mit einem Reflektor 2 versehen, von dem eine von einem nicht gezeigten Ultraschall-Wandler ausgesandte und in die Messstrecke 3 eingeleitetet Ultraschall-Welle 4 in der gezeigten Weise reflektiert wird. Nach gegebenenfalls weiteren Reflexionen gelangt die Ultraschall-Welle zu einem weiteren Ultraschall-Wandler, wobei gegebenenfalls durch Messung von Ultraschall-Wellen, die mit und gegen der Strömungsrichtung des die Messstrecke 3 durchströmenden Fluids ausgesandt und empfangen werden, die Strömungsgeschwindigkeit dieses Fluids ermittelt werden kann.
Um zu vermeiden, dass parasitäre Echos außer den Ultraschall-Signalen auftreten, die direkt an der Oberfläche 5 des Reflektors 2 reflektiert werden, ist zum einen vorgesehen, dass an der Oberfläche 5 Totalreflektion auftritt, die Ultraschall-Wellen also nicht in den Reflektorspiegel eintreten und gegebenenfalls an dessen Rückseite 6 als zeitlich verschobenes parasitäres Signal reflektiert werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Einfallswinkel α des Ultraschall-Signals auf die Spiegeloberfläche zwischen 39° und 54° liegt.
Entscheidend ist, dass Reflexionen an der Innenfläche 7 der Wand 1 im Wesentlichen verhindert werden, was am einfachsten dadurch erfolgen kann, dass man die Wand 1 aus einem Material herstellt, die den gleichen Ultraschallwellen-Widerstand aufweist, wie das in der Messstrecke 3 strömende fluide Medium. Hierfür eignen sich, wie bereits angesprochen, PVDF oder PES oder PTFE. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Wand 1 aus einem Ultraschall dämpfenden Material besteht.
Eine weitere Möglichkeit die Ankunft von parasitären Echos am Empfangswandler oder von der Innenwand 7 der die Messstrecke 3 flankierenden Wand 1 zu verhindern- entsprechend die gleichen Maßnahmen ließen sich auch bei der Innenwand 8 der Messstrecke erreichen, wobei es dort aber nicht so kritisch ist, da die Haupt reflexionen an der äußeren Wand 1 stattfinden – bestehen in einer Profilierung, insbesondere einer sägezahnartigen Profilierung 9, wie sie in 2 angedeutet ist. Eine ankommende Welle 4 trifft zunächst auf die Spitzen der Sägezahnprofilierung und der allmähliche Übergang vom reinen fluiden Medium allmählich in das Material der Wand 1 verhindert das Auftreten von Reflexionen.
Die 3 zeigt schließlich eine weitere Möglichkeit parasitäre Echos zu vermeiden, indem an der Innenfläche 7 der Wand 1 reflektierte Signale aus der Messstrecke entfernt werden. Zu diesem Zweck ist bei der Anordnung nach 3 die Wand 1 geneigt angeordnet, sodass ein auf eine Wandstelle außerhalb des Reflektors 2 auftreffende Ultraschall-Welle 4 nicht in der gekrümmten Strömungsebene der Messstrecke 3 reflektiert wird, sondern nach unten , wie dies in 3 erkennbar ist. Man kann nun an der unteren Begrenzungswand 10 der Ultraschall-Messstrecke 3 vorsehen, dass die Schallwellen möglichst stark durchgelassen und dann im Außenbereich in geeigneter Weise durch Dämpfung od. dgl. vernichtet werden. Alternativ kann natürlich diese untere Begrenzungswand ebenfalls aus einem Material mit dem gleichen Wellenwiderstand wie das fluide strömende Medium gefertigt sein, oder aber auch wiederum mit entsprechenden Wandprofilierungen ausgebildet sein.
Bei der Anordnung nach 4 besteht die Wand 1 aus einer dünnen Wand, hinter der sich in einem von einem Gehäuse 11 umschlossenen Raum 12 genau das gleiche fluide Medium befindet, wie in der Messstrecke 3. Von der dünnen Membran 1 werden allenfalls geringe Ultraschall-Anteile reflektiert. Der meiste Teil geht durch und gelangt in den Raum 12, wo er wiederum entweder durch geeignete Bedämpfungsmaßnahmen vernichtet werden kann oder aber der so ausgestaltet sein kann, dass etwaige Echos an den Wänden der Umgrenzung 11 zeitlich so stark verzögert sind, dass sie aus dem Zeitfenster für eine Laufzeitmessung herausfallen.

Claims

Ultraschall-Messstrecke, insbesondere gekrümmte Ultraschall-Messstrecke, für Durchflussmesser für fluide Medien, mit mindestens einem in der Messstrecke angeordneten Reflektor um von Ultraschallwandlern erzeugte Ultraschallsignale in und gegen die Strömungsrichtung des fluiden Mediums durch die Messstrecke zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand der Messstrecke und/oder mindestens ein Reflektor so ausgebildet ist, dass wesentliche Anteile der Ultraschallsignale außer den an den Reflektoroberflächen reflektierten Ultraschallwellen so beeinflusst werden, dass sie am empfangenden Wandler innerhalb eines für die Ultraschallmessung notwendigen Zeitabschnitt nicht auftreffen.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen von Wandabschnitten außerhalb der Reflektorstellen unterdrückt werden.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wellenwiderstand mindestens einer Wand im Wesentlichen gleich dem Ultraschall-Wellenwiderstand des fluiden Mediums ist.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand eine dünne Membran ist, hinter der sich das gleiche fluide Medium wie in der Messstrecke befindet.
Ultraschall-Messstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand aus Ultraschall dämpfendem Material besteht.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand aus Kunststoff, insbesondere aus Polyvinyldifluorid , PVDF oder Polyethersulfon, PES oder PTFE besteht.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand aus Elastomeren besteht.
Ultraschall-Messstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand so gestaltet, insbesondere ihre Oberfläche derart geformt ist, dass ein kontinuierlicher Übergang des Ultraschall-Wellenwiderstandes stattfindet.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand mit Rillen versehen ist.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand ein Sägezahnprofil aufweist.
Ultraschall-Messstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wandabschnitt so ausgebildet ist, dass an ihm reflektierte Schallwellen auf Wandabschnitte mit Reflexionsverhütung gerichtet werden.
Ultraschall-Messstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die austretenden Ultraschall-Anteile – zur Verhinderung einer späteren Rückreflexion in die Ultraschall-Messstrecke – gedämpft, gebeugt, reflektiert oder durch freie Laufstrecken verzögert werden, sodass sie aus dem Zeitfenster für eine Laufzeitmessung herausfallen.
Ultraschall-Messstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Totalreflexion der Ultraschall-Wellen an der Reflektoroberfläche stattfindet.
Ultraschall-Messstrecke nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel α der Ultraschall-Wellen an den Reflektoren kleiner ist als 54° und größer als 39° (39° < α < 54°).