DE19808701C2 - Durchflussmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus DE 195 30 807 A1 bekannt. Der Schallleitkörper kann dabei aus Keramik oder Kunststoff bestehen; Stahl wird jedoch bevorzugt.

Nach Krautkrämer Josef; Krautkrämer Herbert: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag, 5. Auflage (1986), S. 605-­ 606, weist Aluminium einen Schallwiderstand von 17 Mpas/m auf, während der Schallwiderstand bei Kunststoff etwa zwi­ schen 2 MPas/m und 3 MPas/m liegt.

Nach GB 2,279,146 A wird für den Schallleitkörper ein Materi­ al vorgeschlagen, das die gleiche Dichte und Schallgeschwin­ digkeit wie das strömende Medium besitzt.

Aus EP-0 198 731 A2 ist ein Schallleitkörper aus Glaskeramik bekannt, und aus JP 61-93 914 A ein Schallleitkörper aus Alu­ minium, Magnesium, Titan oder einem fluorhaltigen Kunststoff.

Bei den bekannten Vorrichtungen treten beim Eintritt des Schalls von dem Sendeschallwandler in das Medium und beim Austritt des Schalls von dem Medium in den Empfangsschall­ wandler hohe Energieverluste auf, so dass das Nutzsignal um ein Vielfaches kleiner wird, bis es in die Nähe des elektro­ nischen Rauschens kommt und untergeht. Damit kann beispiels­ weise der Durchfluss höherer elastisch viskoser oder gar gas­ bläschen- oder partikelhaltiger Flüssigkeiten usw. schlecht oder gar nicht mehr gemessen werden. Dies bedeutet derzeit, daß die Grenzen der berührungslosen Ultraschallmesstechnik für Gase und Flüssigkeiten relativ schnell erreicht werden.

Die Ultraschall-Durchflussmessung kann als Schall-Laufzeit­ messung durchgeführt werden (vgl. z. B. DE 40 10 148 A1). Das heißt, der Sendeschallwandler ist direkt oder in einem be­ stimmten Winkel dreidimensional in Strömungsrichtung ausge­ richtet, während der Empfangsschallwandler entgegen der Strö­ mungsrichtung ausgerichtet und in einem solchen Abstand vom Sendeschallwandler angeordnet ist, dass der Ultraschall ent­ weder direkt auf den gegenüberliegenden Wandler gerichtet ist oder an der Messrohrinnenwand wenigstens einmal (also V-förmig), zweimal (also W-förmig) oder noch öfter reflek­ tiert wird. Auch ist ein spiralförmiger Messpfad bekannt, wo­ bei der Schall senkrecht zur Messrohr-Längsachse in das Medi­ um ein- und aus dem Medium austritt und windschiefe Refle­ xionsflächen im Messrohr vorgesehen sind (DE 43 36 370 C1).

Neben der Laufzeitmessung kann die Durchflussmessung nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip erfolgen, bei dem ein Sende­ schallwandler und ein Empfangsschallwandler im gleichen Quer­ schnittsbereich im Messrohr angeordnet und gemeinsam in oder gegen die Strömung ausgerichtet sind, oder es kann eine Kom­ bination von Ultraschall-Doppler- und Laufzeitmessung durch­ geführt werden, wie in DE 42 32 526 C2 beschrieben. Mit der kombinierten Doppler-Messmethode lassen sich zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit auch noch Gasbläschen und Partikel berührungslos und in Echtzeit bestimmen. Es besteht z. B. in der Beschichtungsindustrie, beispielsweise für Filme und Lac­ ke, ein großes Bedürfnis, immer kleinere Gas- oder Feststoff- Reflektoren zu orten. Je kleiner die Reflektoren sind, um so höher muß die eingestrahlte Energie bzw. um so kleiner müssen die Energieverluste gehalten werden. Mit der bekannten Vor­ richtung lassen sich Reflektoren bereits in der Größe << 1 µm orten; sie ist auch für lichtundurchlässige Medien geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine messtechnisch stabile Ul­ traschalldurchfluss-Messvorrichtung hoher Leistung bereitzu­ stellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Nach der Erfindung ist zwischen jedem Schallwandler und der Flüssigkeit oder dem sonstigen Medium, das das Rohr durch­ strömt, ein Schallleitkörper angeordnet, durch dessen Grenz­ fläche mit dem Medium der Schallstrahl senkrecht hindurch­ tritt. Durch den senkrechten Durchtritt ist das System nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz von den Brechungsindizes der Flüssigkeit oder des sonstigen Mediums, das das Rohr durchströmt, unabhängig, auch von der Temperatur.

Durch den Schallleitkörper werden die Schallwandler gegenüber dem Medium abgedichtet. Damit verhindert der Schallleitkörper bei elektrisch leitenden Medien zugleich elektrische Störun­ gen der Schallwandler.

Bisher waren Medien, die Dämpfungen von größer 10 dB/cm bei einer Frequenz von 1 MHz aufweisen, weder einer Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit noch einer Partikeldetektion zu­ gänglich.

Im Gegensatz dazu konnte mit MID-Durchflussmessern (magne­ tisches induktives Prinzip nach Faraday) - allerdings mit Elektroden, also nicht berührungslos - die Strömungsgeschwin­ digkeit gemessen werden, aber nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten und keine Partikel. Demgegenüber ist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung auch zur Bestimmung von nicht leitfä­ higen Medien geeignet, wobei im Gegensatz zu den herkömmli­ chen Ultraschall-Durchflussmessgeräten der Einsatz auf neue, bisher nicht zugängliche Medien erweitert wird, insbesondere kompressible Flüssigkeiten, Öle, hochgesättigte Suspensionen und Dispersionen, Klebstoffe mit Ausgasungseffekten, wie ana­ erobe Kleber und dgl.

Erfindungsgemäß wird als Material für den Schallleitkörper Glaskohlenstoff verwendet. Glaskohlenstoff besitzt eine Schallimpedanz von etwa 7 MPas/m, d. h. wenn das das Messrohr durchströmende Medium, z. B. Wasser, eine Schallimpedanz von 1,5 MPas/m hat, liegt die Schallimpedanz von Glaskohlenstoff nur um etwa das Fünffache darüber. Zudem weist Glaskohlen­ stoff einen hohen E-Modul von 35 GPa auf.

Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)).

Obgleich Glaskeramik und Quarzglas mit einer Schallimpedanz von 15,0 bzw. 12,1 MPas/m und im E-Modul Glaskohlenstoff na­ hekommen, wird überraschenderweise bei Verwendung eines Schallleitkörpers aus Glaskohlenstoff gegenüber Glaskeramik und Quarzglas eine Erhöhung der Leistung um etwa das 10-fache erzielt.

Glaskohlenstoff besitzt allerdings elektrisch leitende Eigen­ schaften. Demgemäß kann es bei Verwendung von Glaskohlenstoff als Schallleitkörper notwendig werden, zwischen dem Schall­ leitkörper und dem Schallwandler einen dünnen elektrischen Isolator, z. B. aus Kunststoff, beispielsweise Acrylkunst­ stoff, oder Keramik oder Glas, anzubringen, oder der Schall­ leitkörper wird auf "Ground" gelegt. Dann liegt auch die Flüssigkeit auf "Massepotential".

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Energiever­ luste und Verluste durch Umwandlung in andere Arten von Schallwellen (longitudinal in transversal), die sonst bei der Ultraschall-Durchflussmessung auftreten, wesentlich herabge­ setzt.

Damit werden Flüssigkeiten messbar, die bisher einer Ultra­ schall-Durchflussmessung nicht zugänglich waren, insbesondere hochdämpfende, hochviskose, kompressible Flüssigkeiten, sowie Suspensionen oder Dispersionen mit einem hohen Partikelgehalt von z. B. 50 Gew.-% und mehr. So ist die erfindungsgemäße Vor­ richtung beispielsweise in der Papierindustrie zur Durch­ flussmessung der Flüssigkeiten für den Papiervorstrich oder - hauptstrich einsetzbar, oder zur Durchflussmessung von Lacken und Beschichtungsmittel und zugleich zur Detektion von Parti­ keln, die Fehlstellen in der Oberfläche erzeugen.

Bei üblichen, also nicht hochdämpfenden Flüssigkeiten kann wegen ihrer hohen Empfindlichkeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Schallweg kürzer und damit das Messrohr im Durchmesser kleiner ausgebildet werden. Damit ist eine Minia­ turisierung der Messvorrichtung möglich.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher als etwa zigarettenschachtelgroßer Messkopf mit einer Durchgangs­ bohrung ausgebildet, an die das eine bzw. andere Ende des Messrohres angeschlossen ist. Knapp daneben befindet sich die Elektronik des Messwertaufnehmers.

Der Messkopf kann dazu aus einem Messkopfkörper z. B. aus Kunststoff, beispielsweise einem Fluorpolymeren, wie PVDF be­ stehen oder aus Edelstahl. Die Durchgangsbohrung kann an ih­ ren Enden jeweils mit einem Innengewinde versehen sein, in das das Messrohr eingeschraubt ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Messkopf zeigt.

Der Messkopf 1 ist zur Ultraschall-Laufzeitmessung ausgebil­ det. Dazu ist ein Messrohr 2 mit einem Ultraschall-Sende­ wandler 3 und einem Ultraschall-Empfangswandler 4 versehen. Die beiden Wandler 3, 4 sind gegeneinander gerichtet, d. h. der Sendewandler 3 ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gemäß dem Pfeil 5 gerichtet, während der Empfangswandler 4 gegen die Strömungsrichtung 5 gerichtet ist.

Ferner sind die Wandler 3, 4 in einem solchen Abstand vonein­ ander angeordnet, dass der Schallstrahl 6, der an einer Re­ flexionsfläche 7 an der Messrohrinnenwand reflektiert wird, zwischen dem Sendewandler 3 und dem Empfangswandler 4 einen V-förmigen Verlauf besitzt.

Es versteht sich, dass der schräg zur Messrohrlängsachse 8 verlaufende Schallstrahl auch zweimal oder noch öfter an der Messrohrinnenwand reflektiert, also z. B. bei einer zweimali­ gen Reflexion auch einen W-förmigen oder Z-förmigen Verlauf aufweisen kann, oder z. B. einen VW-förmigen Verlauf.

Die Schallwandler 3, 4, die jeweils als plättchenförmige Pie­ zoelemente ausgebildet sind, sind jeweils auf der äußeren Stirnseite eines stiftförmigen Schallleitkörpers 10, 11 ange­ ordnet, der aus Glaskohlenstoff besteht.

Zum Durchtritt des Schallstrahls 6 vom Sendeschallwandler 3 durch den Schallleitkörper 10 in die Flüssigkeit im Messrohr 2 bzw. von der Flüssigkeit im Messrohr 2 durch den Schall­ leitkörper 11 in den Empfangsschallwandler 4 ist das Messrohr 2 am inneren Ende der Schallleitkörper 10, 11 mit einer fen­ sterförmigen Ausnehmung 12, 13 versehen.

Zwischen den Schallwandlern bzw. Piezoplättchen 3, 4 ist, falls erforderlich, eine Isolierschicht 14, 15 vorgesehen, z. B. aus Acryl, Keramik u. ä., um den Schallleitkörper 10, 11 von dem Piezoplättchen 3, 4 elektrisch zu isolieren.

Zur Aufnahme der Schallleitkörper 10, 11 sind auf dem Mess­ rohr Reiter oder ein kompakter Aufnahmekörper 16, 17 befe­ stigt, die jeweils mit einer Bohrung versehen sind, in denen die Schallleitkörper 10, 11 angeordnet sind. Um das Messrohr 2 nach außen abzudichten, sind die Schallleitkörper 10, 11 in den Bohrungen durch O-Ringe oder dgl. Dichtmittel 18, 19, z. B. durch Fluorkohlen- bzw. Fluorkohlenwasserstoff-Polymere, wie Polytetrafluorethylen, abgedichtet, z. B. eingeklebt, ein­ gepreßt oder eingesintert.

Das Messrohr 1 kann beispielsweise aus Stahl, Glas oder Glas­ kohlenstoff bestehen.

Um eine Schallbrechung nach Snellius (und weitere Störeffek­ te) an der Grenzfläche zwischen dem Schallleitkörper 10, 11 und der Flüssigkeit im Messrohr 2 zu verhindern, tritt der Schallstrahl 6 durch diese Grenzfläche senkrecht hindurch. Dazu können die Schallleitkörper 10, 11 eine zu ihrer Längs­ achse senkrechte, also zum Piezoelement 3 bzw. 4 parallele Stirnfläche als Grenzfläche zur Flüssigkeit besitzen. Aller­ dings wird dadurch ein Totvolumen zwischen dieser Grenzflä­ che, der Bohrung in dem Aufnahmekörper 16, 17 und dem Mess­ rohr 2 gebildet. In diesem Totvolumen können sich Gasblasen ansammeln, die zu einer vorübergehenden Schwächung bzw. Un­ terbrechung des Schallstrahls 6 und damit zur Funktionsunfä­ higkeit der Vorrichtung führen können.

Um dies zu verhindern, ist die Grenzfläche zwischen den Schallleitkörpern 10, 11 und der Flüssigkeit im Messrohr 1 mit treppenförmig angeordneten Schalldurchtrittsflächen 21, 22, ... versehen, die zum Schallstrahl 6 senkrecht verlaufen, wobei die Kanten der Treppe mit der Innenwandung des Messroh­ res 2 fluchten.

Das Messrohr 2 weist vorzugsweise einen runden oder einen ovalen und insbesondere einen kreisförmigen Durchmesser auf. Gegenüber Messrohren mit viereckigem oder prismatischem Quer­ schnitt hat ein runder Querschnitt den Vorteil, dass keine so ungleiche Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ecken erfolgen kann. Gegenüber einem prismatischen Quer­ schnitt wird damit einerseits das Strömungsprofil-Verhältnis verbessert und zudem werden Ablagerungen in Ecken verhindert. Für einen kleinen Messfehler kommt es besonders darauf an, daß man im Bereich gleicher Strömungsgeschwindigkeit mißt, und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Größe der Strö­ mungsgeschwindigkeit.

Die zur Messrohrlängsachse 8 planparallele Reflexionsfläche 7 kann durch eine plattgepresste Stelle des Messrohres 2 gebil­ det werden. Das heißt, bei einem Messrohr aus Stahl kann bei­ spielsweise in das Rohr ein Amboß-Körper mit einer planen Ge­ genfläche eingeführt und das Rohr an dieser Stelle mit einem Pressstempel von außen flachgedrückt werden. Es genügt, daß diese Stelle einige Quadratmillimeter groß ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß weniger parasitäre Schallwellen auftreten.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Flüs­ sigkeitsstroms nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip ausgebil­ det ist, ist, wie gestrichelt dargestellt, ein weiterer Emp­ fangsschallwandler 4' an einem Schallleitkörper 11' vorgese­ hen, und zwar im gleichen Querschnittsbereich des Messrohres 1, in dem der Sendeschallwandler 3 angeordnet ist, wobei der Empfangsschallwandler 4' ebenso wie der Sendeschallwandler 3 in Strömungsrichtung 5 ausgerichtet ist. Bei einem Reflektor­ teilchen 29 wird die reflektierte Strahlung 6' vom Empfangs­ schallwandler 4' empfangen. Dieses Empfangssignal ist ca. 500-1000 mal stärker, als bei den alten Konstruktionen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Durchflussmessung mit einem von dem zu messenden Medium durchströmten Messrohr, an dem wenig­ stens zwei Ultraschallwandler angeordnet sind, die einen zur Messrohrlängsachse schräg verlaufenden Schallstrahl senden bzw. empfangen, wobei die Messrohrwand zum Durch­ tritt des Schallstrahls vom Sendeschallwandler in das Me­ dium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler mit einer Ausnehmung versehen ist und zwischen den Schallwandlern und dem Medium jeweils ein Schallleitkörper angeordnet ist, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schall­ strahl senkrecht hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Schallleitkörper (10, 11, 11') aus Glaskohlenstoff besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schallleitkörper (10, 11) und dem Schall­ wandler (3, 4) ein elektrischer Isolator (14, 15) vorge­ sehen ist.