DE19808642C1

DE19808642C1 - Flow measuring device using ultrasound signals

Info

Publication number: DE19808642C1
Application number: DE1998108642
Authority: DE
Inventors: Bernhard Funck; Andreas Gloeckner
Original assignee: FLEXIM FLEXIBLE INDUSTRIEMESTECHNIK GmbH; Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH
Current assignee: FLEXIM FLEXIBLE INDUSTRIEMESTECHNIK GmbH; Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1998-02-28
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2018-03-01

Abstract

The device has a measuring tube through which a gas or fluid medium flows. The tube has one or more pairs of sound transducers each comprising a clamp-on ultrasound transducer which operates in reception mode and one which operates in transmission mode. The cross-section of the tube is essentially a pentagon. One side, on which the transducers are arranged, forms a rectangle with two adjacent sides. The opposite sides form an angle of less than 180 degrees.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmessung mit Hilfe von Ultraschallsigna len.The invention relates to a device for flow measurement using ultrasound signals len.

Bei der Durchflußmessung mit Hilfe von Ultraschallsignalen nach dem Laufzeitverfahren ent stehen Empfangssignale, deren Laufzeit von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf dem Schallstrahl abhängt. Der Durchfluß hingegen ist dem Flächenmittelwert über den gesamten Rohrquerschnitt proportional. Der bei der Umrechnung von der gemessenen Laufzeit in den Durchfluß auftretende Kalibrierfaktor ist deshalb im allgemeinen vom Strömungsprofil abhän gig. Um einen vom Strömungsprofil unabhängigen Kalibrierfaktor zu erhalten ist eine geeig nete Strahlführung erforderlich. In DE 43 36 370 C1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der durch Reflektoren im Meßrohr ein spiralförmiger Schallweg erzeugt wird. Dadurch wird die Abhängigkeit des Meßsignales vom Strömungszustand minimiert.When measuring the flow with the aid of ultrasound signals using the transit time method are received signals, the transit time of which depends on the mean flow velocity Sound beam depends. The flow, on the other hand, is the mean area over the entire area Pipe cross section proportional. The one when converting the measured runtime into the Flow factor occurring in flow is therefore generally dependent on the flow profile gig. In order to obtain a calibration factor that is independent of the flow profile, one is suitable Nete beam guidance required. DE 43 36 370 C1 describes a device in a spiral sound path is generated by reflectors in the measuring tube. This will the dependence of the measurement signal on the flow state is minimized.

In EP 0268 314 A1 und EP 0715 155 A1 sind Anordnungen beschrieben, die den Einfluß von Drallströmungen auf den Meßeffekt verringern sollen. Die in EP 0268 314 Al beschriebene Anordnung weist zwei hintereinander in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt angeord nete Meßstellen mit gegenläufigem spiralförmigem Schallweg auf. Der Einfluß einer Drallströ mung auf den Meßeffekt hat an beiden Meßstellen umgekehrtes Vorzeichen, so daß der Mit telwert der Meßwerte beider Meßstellen unabhängig von der Drallströmung ist. Bei der in EP 0715 155 A1 beschriebenen Anordnung werden ebenfalls zwei hintereinanderliegende gegen läufige spiralförmige Schallwege verwendet, jedoch werden die beiden Schallwege mit nur einem Schallwandlerpaar und geeigneten Reflektoren in einem Rohr mit sechseckförmigem Querschnitt erzeugt. Andere bekannte Ultraschallmeßsysteme nutzen zur Durchflußmessung den Dopplereffekt. Dabei werden Ultraschallsignale in das strömende Medium gesendet und die an im Medium vorhandenen Streuteilchen reflektierten Signale empfangen. Die Frequenz differenz zwischen Sende- und Empfangssignalen ist ein Maß für die Strömungsgeschwindig keit. In DE 42 32 526 C2, DE 41 18 810 C2 und DE 41 18 809 A1 werden Anordnungen be schrieben, die ovalen, rechteckigen, sechs-, sieben- oder achteckigen Querschnitt haben. Die Formen bieten plane Flächen, die eine gegenüber dem kreisförmigen Querschnitt verbesserte Schalleinstrahlung ermöglichen. Ein vom Strömungszustand unabhängiger Kalibrierfaktor wird dadurch jedoch nicht erreicht. In EP 0268 314 A1 and EP 0715 155 A1, arrangements are described which influence the influence of To reduce swirl flows on the measuring effect. The one described in EP 0268 314 A1 The arrangement has two in a row in a tube with a circular cross section nete measuring points with opposite spiral sound path. The influence of a swirl flow The measurement effect on both measuring points has the opposite sign, so that the Mit telwert the measured values of both measuring points is independent of the swirl flow. At the in EP 0715 155 A1 described arrangement are also two consecutive against current spiral sound paths are used, however, the two sound paths are only used a pair of transducers and suitable reflectors in a tube with hexagonal Cross section created. Other known ultrasonic measuring systems use for flow measurement the Doppler effect. Here, ultrasonic signals are sent into the flowing medium and receive the signals reflected from scattering particles present in the medium. The frequency difference between transmit and receive signals is a measure of the flow rate speed. Arrangements are described in DE 42 32 526 C2, DE 41 18 810 C2 and DE 41 18 809 A1 wrote that have oval, rectangular, hexagonal, hexagonal or octagonal cross-section. The Shapes offer flat surfaces that are better than the circular cross-section Enable sound radiation. A calibration factor that is independent of the flow state becomes not achieved by this.

In vielen Bereichen der Industrie besteht die Forderung nach eingriffsfreier Durchflußmessung. Der Meßwandler soll hohen Drücken und aggressiven Medien widerstehen und keine als Strö mungshindernis wirkenden Teile, an denen sich Rückstände sammeln könnten und welche die Reinigung der Anlage behindern würden, aufweisen. Dieser Forderung kommt die Clamp-on- Durchflußmessung in idealer Weise entgegen. Ein Clamp-on-Durchflußmeßgerät ist in DE 41 14 233 C2 beschrieben. Die Clamp-on-Durchflußmessung an Rohren mit kreisförmigem Querschnitt liefert jedoch kein vom Strömungszustand unabhängiges Meßsignal, da dieses dem Linienintegral über einen axialen Meßpfad proportional ist und nicht dem Flächenintegral über den Querschnitt des Rohres.In many areas of industry there is a need for non-intrusive flow measurement. The transducer is designed to withstand high pressures and aggressive media and not as a flow Parts that act as obstacles, on which residues could collect and which the Would hinder cleaning of the system. This is what the clamp-on Flow measurement in an ideal way. A clamp-on flowmeter is in DE 41 14 233 C2. The clamp-on flow measurement on pipes with circular However, the cross section does not provide a measurement signal that is independent of the flow state, since this is the Line integral over an axial measuring path is proportional and not over the surface integral over the cross section of the tube.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchflußmessung zu schaf fen, deren Meßsignal vom Strömungszustand unabhängig ist und die der Forderung nach Ein griffsfreiheit weitgehend genügt. Insbesondere soll die Vorrichtung ohne zusätzliche Reflekto ren im Meßrohr auskommen.The invention has for its object to provide a device for flow measurement fen, the measurement signal is independent of the flow state and the demand for on freedom of grip is largely sufficient. In particular, the device should have no additional reflectors in the measuring tube.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.According to the invention, this object is achieved by a device according to claim 1. Further advantageous designs are described in the dependent claims.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Show it:

Fig. 1 Seitenansicht des Meßrohres mit Ultraschallwandlern und Schallweg, Fig. 1 side view of the measuring tube with ultrasonic transducers and the sound path,

Fig. 2 Querschnitt des Meßrohres in der Ebene des Ultraschallwandler T1 und ausgewählte Schallwege, in die Ebene des Ultraschallwandlers T1 projeziert, Fig. 2 cross-section of the measuring tube projected into the plane of the ultrasonic transducer T1 and selected sound paths, in the plane of the ultrasonic transducer T1,

Fig. 3 Querschnitt des Meßrohres in der Ebene des Ultraschallwandlers T1 und Schallwege der gesamten Wellenfront, Fig. 3 of the measuring tube cross-section in the plane of the ultrasonic transducer T1 and sound paths of the entire wavefront,

Fig. 4 Querschnitt eines Meßrohres mit abgerundeten Ecken in der Ebene der Ultraschall wandler T1a und b, Fig. 4 a cross-section of the measuring tube with rounded corners in the plane of the ultrasonic transducer T1a and b,

Fig. 5 Anordung mit geteilten Ultraschallwandlern T1a, b, c und d, Fig. 5 arrangement with split ultrasonic transducers T1a, b, c and d,

Fig. 6 Schallwege für die Anordnung mit geteilten Ultraschallwandlern, Fig. 6 sound paths for the arrangement with split ultrasonic transducers,

Fig. 7 Schallwege für die Anordnung mit geteilten Ultraschallwandlern, Fig. 7 sound paths for the arrangement with split ultrasonic transducers,

Fig. 8 Anordnung mit einseitiger Einstrahlung. Fig. 8 arrangement with unilateral irradiation.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel mit 3-fachem V-Pfad gezeigt. Der Schall wird von T1 in die Rohrwand eingekoppelt, durchläuft die Rohrwand und tritt ins Fluid ein. Nach mehrfacher Reflexion an der Rohrinnenwand wird der Schall über die Rohrwand ausgekoppelt und erreicht den Empfänger.In Fig. 1, an embodiment with 3 times the V-path is shown. The sound is injected from T1 into the pipe wall, passes through the pipe wall and enters the fluid. After multiple reflections on the inner pipe wall, the sound is coupled out through the pipe wall and reaches the receiver.

Die Dimensionierung der Querschnittsform des Meßrohres erfolgt mit dem Ziel, daß der ge samte Querschnitt des Meßrohres gleichmäßig beschallt wird und die Schallwege der einzelnen Anteile der Wellenfront möglichst weitgehend äquivalente Bereiche des Fluids durchlaufen. Erfindungsgemäß ist der Querschnitt ein Fünfeck, bei dem die Schallwandler auf der im fol genden als Grundseite bezeichneten Seite angebracht sind. Die an die Grundseite angrenzenden Seiten schließen mit dieser jeweils einen rechten Winkel ein. Die gegenüberliegenden Seiten schließen einen Winkel kleiner als 180° ein.The dimensioning of the cross-sectional shape of the measuring tube takes place with the aim that the ge entire cross-section of the measuring tube is evenly sonicated and the sound paths of the individual Pass through portions of the wavefront as far as possible equivalent areas of the fluid. According to the cross section is a pentagon, in which the sound transducer on the fol the side referred to as the base side are attached. The ones adjacent to the base Pages enclose a right angle with this. The opposite sides enclose an angle less than 180 °.

In einer Vorzugsform steht die Länge a der Grundseite zur Länge b der übrigen Seiten im Ver hältnis a : b = tan 60° : 1 (= Wurzel (3) : 1). Fig. 2 zeigt den Schallweg im Querschnitt für zwei ausgewählte Abstrahlpunkte vom rechten Schallwandlerrand bzw. von einem Punkt in der Nä he des Schallwandlerzentrums. Dabei wird vereinfachend angenommen, daß die Ausbreitung der Wellenfront auf parallelen Schallstrahlen erfolgt. Man erkennt, daß beide Wege äquivalente Bereiche des Fluids durchlaufen, wenn man davon ausgeht, daß das Strömungsprofil symme trisch ist. Weiterhin durchläuft jeder Schallweg sowohl zentrale Bereiche als auch Randberei che der Strömung. Näherungsweise trifft das auch für die übrigen Schallwege zu. Auf allen Schallwegen wird also in etwa der gleiche Meßeffekt wirksam. Das Gesamtsignal ergibt sich als Summe der Teilsignale auf den einzelnen Schallwegen. Bei der Summierung wirkt die Schallwandlerapertur als Wichtungsfaktor. Da jedoch auf allen Schallwegen der gleiche Me ßeffekt wirksam wird, hat die Schallwandlerapertur auf den Gesamtmeßeffekt bei dieser Vor richtung keinen Einfluß. Der Meßeffekt, nämlich die Schallaufzeitänderung aufgrund der Strö mung, ist also relativ unabhängig vom Strömungsprofil und der Schallwandleraperturfunkti on. An Fig. 3, wo die Schallwege der gesamten Wellenfront dargestellt sind, wird die gleich mäßige Beschaltung des Meßrohrquerschnittes deutlich.In a preferred form, the length a of the base side is in relation to the length b of the other sides a: b = tan 60 °: 1 (= root (3): 1). Fig. 2 shows the sound path in cross section for two selected radiation points from the right edge of the transducer or from a point near the center of the transducer. To simplify matters, it is assumed that the wave front propagates on parallel sound beams. It can be seen that both paths pass through equivalent areas of the fluid if one assumes that the flow profile is symmetrical. Furthermore, each sound path runs through both central areas and peripheral areas of the flow. This also applies approximately to the other sound paths. Approximately the same measurement effect is effective on all sound paths. The total signal is the sum of the partial signals on the individual sound paths. When summing, the transducer aperture acts as a weighting factor. However, since the same measurement effect is effective on all sound paths, the transducer aperture has no influence on the overall measurement effect in this device. The measuring effect, namely the change in sound propagation time due to the current, is therefore relatively independent of the flow profile and the sound transducer function. In Fig. 3, where the sound paths of the entire wavefront are shown, the uniform wiring of the measuring tube cross section is clear.

Es zeigt sich, daß der Meßeffekt der Vorrichtung weitgehend unabhängig vom Strömungspro fil ist.It can be seen that the measuring effect of the device is largely independent of the flow pro fil is.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 5. Die Ecken des Fünfeckes sind abge rundet. Deshalb wird nur der auf die ebenen Teile der Rohrwände treffende Schall durch die Anordung geführt und der Querschnitt wird nicht vollständig beschaut. Die Schallanteile, die die Rundungen treffen, werden zerstreut. Die Einstrahlung in die Anordnung mit abgerundeten Ecken kann wie in Fig. 3 erfolgen. Beschränkt man die Einstrahlung jedoch, wie in Fig. 4 ge zeigt, dann werden die Rundungen weniger beschallt und die durch Streuung entstehenden Störschallanteile werden geringer. Der Ultraschallwandler T1 ist aufgeteilt in die beiden Wandler T1a und b. Ebenso wird auch der zweite Wandler T2 aufgeteilt. Fig. 5 shows another embodiment of the invention . The corners of the pentagon are rounded off. Therefore, only the sound hitting the flat parts of the pipe walls is guided through the arrangement and the cross-section is not fully examined. The sound components that hit the curves are scattered. The irradiation into the arrangement with rounded corners can take place as in FIG. 3. However, if the radiation is restricted, as shown in FIG. 4, the curves are less exposed to sound and the noise components generated by scattering are reduced. The ultrasonic transducer T1 is divided into the two transducers T1a and b. The second converter T2 is also divided.

Die Abrundung der Ecken beeinträchtigt zwar die vollständige Beschallung des Querschnittes der Anordnung, erleichtert aber die Reinigung.The rounding of the corners adversely affects the complete sound of the cross section the arrangement, but makes cleaning easier.

Die unvollständige Beschallung bei abgerundeten Ecken führt gegenüber der Variante mit scharfen Kanten zu einer Vergrößerung der Abhängigkeit des Meßeffektes vom Strömungszu stand. Denkbar ist dann die Aufteilung der Schallführung in zwei Strecken mit unterschiedli chem Meßeffekt, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Schallführung beider Teilstrecken zeigen Fig. 6 und Fig. 7. Aus dem Verhältnis der Meßwerte beider Strecken kann auf den Strömungszustand geschlossen und eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden.The incomplete sonication at rounded corners leads to an increase in the dependence of the measuring effect on the flow state compared to the variant with sharp edges. It is then conceivable to split the sound guide into two sections with differing measuring effects, as shown in FIG. 5. The enclosure of both sections, Figs. 6 and Fig. 7. From the ratio of the measured values of both routes can be closed on the flow state and a corresponding correction to be made.

Wegen der Symmetrie der Anordnung ist auch die Einstrahlung nur auf der halben Grundfläche der Anordnung nach Fig. 8 denkbar. Nach 5-facher Reflexion an den Wänden der Anordnung gelangt der Schall an diejenige Hälfte der Grundfläche, an der nicht eingestrahlt wurde. Dort kann sich der Empfangswandler T2 befinden oder der Schall gelangt nach Reflexion an der Grundfläche auf dem in der Querschnittsdarstellung gleichen Weg zur anderen Hälfte der Grundfläche, wo sich der Empfangswandler T2 befindet.Because of the symmetry of the arrangement, the radiation is only conceivable on half the base area of the arrangement according to FIG. 8. After 5-fold reflection on the walls of the arrangement, the sound reaches that half of the base area on which no radiation was incident. The reception transducer T2 can be located there, or after reflection on the base area, the sound reaches the other half of the base area on the same path in the cross-sectional illustration, where the reception transducer T2 is located.

Der Einstrahlwinkel im Fluid und somit auch der gegenseitige Abstand der Ultraschallwandler T1 und T2 hängt bei einer Clamp-on-Anordnung von der Schallgeschwindigkeit des Fluids ab. Deshalb ist eine Anordnung mit festinstallierten Wandlern nur für einen bestimmten Bereich von Schallgeschwindigkeiten des Fluids geeignet. Um einen größeren Bereich vor. Schallge schwindigkeiten mit derselben Meßanordnung abzudecken, können mehrere der beschriebenen Schallwandleranordungen mit unterschiedlichem gegenseitigen Abstand der Ultraschallwandler T1 und T2 auf demselben Meßrohr angebracht werden.The angle of incidence in the fluid and thus also the mutual distance between the ultrasonic transducers In a clamp-on arrangement, T1 and T2 depend on the speed of sound of the fluid. Therefore, an arrangement with fixed transducers is only for a certain area of sound velocities of the fluid. Around a larger area. Schallge cover speeds with the same measuring arrangement, several of the described Sound transducer arrangements with different mutual distance between the ultrasonic transducers T1 and T2 can be attached to the same measuring tube.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich auch zur Durchflußmessung von Gasen und für den Einsatz in Wärmemengenmessern.The measuring device according to the invention is also suitable for flow measurement of gases and for use in heat meters.

Claims

1. A device for flow measurement with a measuring tube with a gaseous or liquid medium flowing through it with one or more pairs of transducers, each consisting of a transmitter and a receiver operating in the clamp-on ultrasonic transducer, characterized in that the cross section of the measuring tube is essentially is a pentagon in which a base side, on which the sound transducers are arranged, encloses a right angle to the two adjacent sides and the sides opposite the base side enclose an angle of less than 180 °, or the cross section results from such a pentagon.

2. Device according to claim 1, characterized in that the length a of the base of the Pentagon to length b of the other sides essentially in the ratio a: b = tan 60 °: 1 stands.

3. Device according to claim 1, characterized in that the pipe cross-section is run down has corners.

4. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the corners are rounded are and the side lengths are measured at the pentagon, from which the cross section through Rounding the corners emerges.

5. The device according to claim 1, characterized in that the two ultrasonic transducers a pair can be operated alternately as a transmitter and receiver.