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DE19861186B4 - System for through flow measurement - Google Patents

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DE19861186B4
DE19861186B4 DE19861186A DE19861186A DE19861186B4 DE 19861186 B4 DE19861186 B4 DE 19861186B4 DE 19861186 A DE19861186 A DE 19861186A DE 19861186 A DE19861186 A DE 19861186A DE 19861186 B4 DE19861186 B4 DE 19861186B4
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DE
Germany
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sound
measuring tube
medium
sound beam
transducer
Prior art date
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Expired - Fee Related
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DE19861186A
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German (de)
Inventor
Georg F. Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schubert und Salzer Control Systems GmbH
Original Assignee
Schubert und Salzer Control Systems GmbH
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Publication date
Application filed by Schubert und Salzer Control Systems GmbH filed Critical Schubert und Salzer Control Systems GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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Abstract

The system has a measuring tube (2) with two ultrasound transducers to emit and receive measurement ultrasound beams and at least one reflector at a pipe inner wall to reflect ultrasound. The reflector is formed by a reflection surface (7) plane parallel to the measuring tube longitudinal axis (8). The measuring tube has a round cross section outside the reflection surface. The reflection surface is formed by a flat pressed place of the measuring tube.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a flow measuring device after Preamble of claim 1.

Eine derartige Vorrichtung ist z.B. aus DE 40 10 148 A1 bekannt. Dabei wird eine Schall-Laufzeitmessung durchgeführt. Das heißt, der Sendeschallwandler ist in Strömungsrichtung ausgerichtet, während der Empfangsschallwandler entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet und in einem solchen Abstand vom Sendeschallwandler angeordnet ist, dass der Ultraschall an der Messrohrinnenwand wenigstens einmal (also V-förmig), zweimal (also W-förmig) oder noch öfter reflektiert wird. Das Meßrohr weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Wandler sind in Taschen an Ausnehmungen in der Meßrohrwand vorgesehen. Um neben einem W-förmigen Schallpfad einen parasitären V-förmigen Schallpfad und damit eine Verschlechterung des Nutz/Störsignalverhältnisses zu verhindern, sind gekrümmte, fokussierende Reflexionsflächen vorgesehen. Auch ist solches rechteckiges Meßrohr mit einem spiralförmigen Meßpfad bekannt, wobei der Schall senkrecht zur Messrohr-Längsachse in das Medium ein- und aus dem Medium austritt und windschiefe Reflexionsflächen im Messrohr vorgesehen sind ( DE 43 36 370 C1 ). Abgesehen davon, daß die gekrümmten, fokussierenden bzw. windschiefen Reflexionsflächen mit einem entsprechend hohen Herstellungsaufwand verbunden sind, läßt die Meßgenauigkeit der bekannten Vorrichtungen noch zu wünschen übrig.Such a device is eg off DE 40 10 148 A1 known. In this case, a sound transit time measurement is performed. That is, the transmission sound transducer is aligned in the flow direction, while the receiving sound transducer is aligned opposite to the flow direction and arranged at such a distance from the transmission transducer that the ultrasound at the measuring tube inner wall at least once (ie V-shaped), twice (ie W-shaped) or is reflected more often. The measuring tube has a rectangular cross-section. The transducers are provided in pockets at recesses in the measuring tube wall. In order to prevent, in addition to a W-shaped sound path, a parasitic V-shaped sound path and thus a deterioration of the useful / interference signal ratio, curved, focusing reflection surfaces are provided. Such a rectangular measuring tube is also known with a spiral measuring path, the sound entering and leaving the medium perpendicular to the measuring tube longitudinal axis into the medium and providing skew reflection surfaces in the measuring tube ( DE 43 36 370 C1 ). Apart from the fact that the curved, focusing or skewed reflection surfaces are associated with a correspondingly high production cost, the accuracy of the known devices leaves much to be desired.

Die US 4,754,650 offenbart eine Vorrichtung zur Durchflußmessung mit einem von dem zu messenden Medium durchströmten Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern, die einen Schallstrahl senden bzw. empfangen. Bei einer Vorrichtung gemäß der US 4,754,650 tritt der Schallstrahl unmittelbar – also ohne zwischengeschalteten Schalleitkörper – vom sendenden Ultraschallwandler in das Medium über. Er wird an der Innenwand des Meßrohres reflektiert und tritt schließlich unmittelbar zum empfangenden Ultraschallwandler über. Die Wandler sind dabei jeweils am Ende eines Blindrohres angeordnet. In diesen Blindrohren kann es jedoch zu Verwirbelungen des zu messenden Mediums oder zur Ansammlung von Fremdmedien, wie beispielsweise von Luft- oder Dampfblasen, kommen. Somit wird die Meßgenauigkeit der Meßvorrichtung erheblich eingeschränkt.The US 4,754,650 discloses a device for flow measurement with a flowed through by the medium to be measured measuring tube and two mutually aligned ultrasonic transducers that send or receive a sound beam. In a device according to the US 4,754,650 occurs the sound beam directly - ie without intermediate Schalleitkörper - from sending ultrasonic transducer into the medium. It is reflected on the inner wall of the measuring tube and finally passes directly to the receiving ultrasonic transducer. The transducers are each arranged at the end of a blind tube. In these dummy tubes, however, can lead to turbulence of the medium to be measured or the accumulation of foreign media, such as air or vapor bubbles. Thus, the measurement accuracy of the measuring device is considerably limited.

Aus der EP 0 198 731 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein von einem Medium durchströmtes Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichtete Ultraschallwandler aufweist. Der Schallstrahl wird hier an der gekrümmten Außenwand des Meßrohres reflektiert (s. dortige 4). Dadurch wird der Schallstrahl bei der Reflexion aufgeweitet, weswegen dem empfangenden Ultraschallwandler nur ein Schallstrahl mit geringer Energie zugeführt wird, was wiederum nachteilig für die Genauigkeit der Messung ist.From the EP 0 198 731 a device is known which comprises a flowed through by a medium measuring tube and two mutually aligned ultrasonic transducer. The sound beam is reflected here on the curved outer wall of the measuring tube (s 4 ). As a result, the sound beam is expanded in the reflection, which is why the receiving ultrasonic transducer only a sound beam is supplied with low energy, which in turn is detrimental to the accuracy of the measurement.

Aus der DE 195 30 807 ist ebenfalls eine Meßvorrichtung mit einem durch ein Medium durchströmten Meßrohr und zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern bekannt. Diese Vorrichtung offenbart Ausnehmungen zum Durchtritt des Schallstrahles, Schalleitkörper und einen senkrechten Durchtritt des Schallstrahles durch die Grenzfläche des Schalleitkörpers mit dem Medium. Die Ultraschallwandler sind hier jedoch auf einer Geraden angeordnet. Wegen der kurzen Laufstrecke des Schallstrahls ergibt sich eine eingeschränkte MeßgenauigkeitFrom the DE 195 30 807 is also a measuring device with a flowed through by a medium measuring tube and two mutually aligned ultrasonic transducers known. This device discloses recesses for the passage of the sound beam, Schalleitkörper and a vertical passage of the sound beam through the interface of the Schalleitkörpers with the medium. However, the ultrasonic transducers are arranged here on a straight line. Because of the short running distance of the sound beam results in a limited measurement accuracy

Aus der GB 2 279 146 ist eine weitere Meßvorrichtung mit einem durch ein Medium durchströmten Meßrohr und zwei in einer Linie gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern mit vorgelagerten Schalleitkörpern bekannt, wobei der Schall schräg durch die Grenzfläche zwischen Schalleitkörper und Medium durchtritt. Auch hier ergibt sich wegen der kurzen Laufstrecke des Schallstrahls nur eine geringe Meßgenauigkeit.From the GB 2 279 146 is another measuring device with a flowed through by a medium measuring tube and two in a line mutually aligned ultrasonic transducers with upstream Schalleitkörpern known, the sound passes obliquely through the interface between Schalleitkörper and medium. Again, there is only a small measurement accuracy because of the short course of the sound beam.

Die JP 61-093914 und die DE 6944431 beziehen sich lediglich auf einen Teil einer Vorrichtung zur Durchflußmessung, nämlich auf unterschiedliche Meßköpfe.The JP 61-093914 and the DE 6944431 refer only to a part of a device for flow measurement, namely to different measuring heads.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Schallaufzeitmeßvorrichtung hoher Meßgenauigkeit bereitzustellen.task The invention is a simply constructed Schallaufzeitmeßvorrichtung high measuring accuracy provide.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.This is inventively with the achieved in claim 1 device. In the subclaims are reproduced advantageous embodiments of the invention.

Das erfindungsgemäße Meßrohr weist, abgesehen von den zur Meßrohrlängsachse planparallelen Reflexionsflächen, einen runden Querschnitt auf, also beispielsweise einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt. Gegenüber einem rechteckigen Querschnitt, durch den die Strömungsgeschwindigkeit in den Ecken herabgesetzt wird, wird damit erfindungsgemäß das Strömungsprofil-Verhältnis verbessert. Für einen kleinen Meßfehler kommt es aber entscheidend darauf an, daß man im Bereich gleicher Strömungsgeschwindigkeit mißt, und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Größe der Strömungsgeschwindigkeit.The has measuring tube according to the invention, apart from the Meßrohrlängsachse plane-parallel reflection surfaces, a round cross section, so for example a circular or oval cross-section. Across from a rectangular cross-section through which the flow velocity is lowered in the corners, so according to the invention improves the flow profile ratio. For one small measurement error But it is crucial that you measure in the same flow velocity, and Although independent from the different size of the flow velocity.

Nach der Erfindung ist vorzugsweise zwischen jedem Schallwandler und der Flüssigkeit oder dem sonstigen Medium, das das Rohr durchströmt, ein Schallleitkörper angeordnet, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl senkrecht hindurchtritt. 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.To The invention is preferably between each transducer and the liquid or the other medium which flows through the tube, a Schallleitkörper arranged, through its interface with the medium of the sound beam passes vertically. By the vertical passage is the system according to Snell's law of refraction from the refractive indices of the liquid or the other medium that flows through the pipe, regardless, also from the temperature.

Damit wird ein messtechnisch stabiles System erhalten. Durch den Schallleitkörper werden die Schallwandler gegenüber dem Medium abgedichtet. Damit verhindert der Schallleitkörper bei elektrisch leitenden Medien zugleich elektrische Störungen der Schallwandler.In order to a metrologically stable system is obtained. Be through the sound conductor opposite the transducers sealed to the medium. This prevents the Schallleitkörper at electrically conductive media at the same time electrical interference of the Sound transducers.

Energieverluste treten immer dort auf, wo zwei Medien mit ungleichen elastischen Eigenschaften zusammenstoßen. Schallwellen werden an Grenzflächen bei senkrechtem Einfall entweder reflektiert oder bei Schrägeinfall gebeugt und reflektiert, wobei gleichzeitig noch ein „Modenwandel" von transversal in longitudinal oder umgekehrt stattfinden kann. Jede Veränderung des physikalischen Zustandes einer Welle kostet Energie. Das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle pr und dem Druck der einfallenden Welle pe wird als Reflexionsfaktor R bezeichnet.energy losses always occur where two media with unequal elastic Crash properties. Sound waves become at interfaces either reflected at normal incidence or oblique incidence bent and reflected, at the same time still a "fashion change" of transversal can take place in longitudinal or vice versa. Every change The physical state of a wave costs energy. The relation between the sound pressure of the reflected wave pr and the pressure of the incident Wave pe is called the reflection factor R.

Figure 00040001
Figure 00040001

Das Verhältnis von durchgelassener Welle pd zu einfallender Welle pe wird als Durchlässigkeitsfaktor D bezeichnet.The relationship of transmitted wave pd to incident wave pe is called permeability factor D designated.

Figure 00040002
Figure 00040002

Entscheidend für die Größen R und D sind die Schallwellenwiderstände oder Schallimpedanz: Z1 = ρ1·c1 und Z2 = ρ2·c2.Decisive for the quantities R and D are the sound wave resistances or acoustic impedance: Z 1 = ρ 1 · c 1 and Z 2 = ρ 2 · c 2 .

So ist Z1 gleich 46 für Edelstahl und Z2 gleich 1,5 für Wasser.Thus, Z 1 is 46 for stainless steel and Z 2 is 1.5 for water.

Bei Energieverlusten wird in relativen Größen gerechnet.at Energy losses are calculated in relative terms.

So ist der Betrag des reflektierten Schalldruckes

Figure 00040003
So is the amount of reflected sound pressure
Figure 00040003

Der Betrag der reflektierten Amplitude liegt also nur um 0,5 dB (< 5%) unter dem Betrag der einfallenden, so dass eine fast ideale Reflexion vorliegt.Of the The amount of the reflected amplitude is therefore only 0.5 dB (<5%) below the amount the incident, so that there is an almost ideal reflection.

Demgegenüber hat die durchgelassene Welle in Wasser einen Schalldruck, der etwa 24 dB unter dem Schalldruck der einfallenden Welle in Edelstahl liegt.In contrast, has the transmitted wave in water has a sound pressure of about 24 dB is below the sound pressure of the incident wave in stainless steel.

Figure 00050001
Figure 00050001

Die relative Energiebilanz verschlechtert sich noch zunehmend, wenn man chemisch-technische Flüssigkeiten, wie Lösungsmittel-Gemische betrachtet, die folgende typischen Werte besitzen: c = 1200 m/s, ρ = 0,8 g/cm3 und damit Z ≈ 1 MPa/m.The relative energy balance deteriorates even more, if one considers chemical-technical liquids, such as solvent mixtures, the following typical values: c = 1200 m / s, ρ = 0.8 g / cm 3 and thus Z ≈ 1 MPa / m.

Treffen Schallwellen an schräge Grenzflächen, kommt es noch zu weiteren Effekten aufgrund des Brechungsgesetzes nach Snellius:

Figure 00050002
sowie Wellenumwandlungseffekten, welche je nach Auftreffwinkel temperaturabhängig sind, weil die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.If sound waves hit oblique interfaces, further effects due to Snell's law of refraction occur:
Figure 00050002
as well as wave conversion effects, which are temperature dependent depending on the angle of incidence, because the speed of sound is temperature dependent.

Besonders wichtig für die Ortung von Reflektoren nach dem Doppler-Prinzip ist aber die Tatsache, daß mit dem Brechungsgesetz nur die Ausbreitungsrichtung der gebrochenen Schallwelle, nicht aber ihre Amplitude ermittelt werden kann. Außerdem tritt stets eine lineare Polarisation auf. Die Amplitude ist für die Bestimmung der Partikelgröße wichtig. Die Ortung von sehr kleinen Reflektoren in einem Medium (mit keinem ΔZ) ist also dann wirkungsvoll und zuverlässig, wenn mit einem Schallleitkörper mit entsprechender konstruktiver Gestaltung Schalldruck ohne „Streueffekte" gerichtet in das zu bestimmende Medium eingeleitet bzw. daraus empfangen werden kann. Für das Laufzeitverfahren, ebenso wie für das verwandte „Sing around"-Prinzip eröffnet sich die Möglichkeit, Messungen mit Flüssigkeiten bzw. Medien durchzuführen, die bisher nicht gemessen werden konnten. Beispielsweise waren Medien, die Dämpfungen von größer 10 dB/cm bei einer Frequenz von 1 MHz aufweisen, bisher weder einer Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit noch einer Partikeldetektion zugänglich.Especially important for the location of reflectors according to the Doppler principle is but the Fact that with the law of refraction only the direction of propagation of the refracted Sound wave, but not their amplitude can be determined. In addition, occurs always a linear polarization. The amplitude is for the determination the particle size important. The location of very small reflectors in a medium (with no ΔZ) is so then effective and reliable, if with a sound conductor with appropriate design sound pressure without "scattering effects" directed into the initiated medium can be initiated or received from it. For the Runtime method, as well as for the related "Sing around "principle open the opportunity Measurements with liquids or to carry out media, that could not be measured yet. For example, media, the dampings greater than 10 dB / cm at a frequency of 1 MHz, so far neither a provision the flow velocity still a particle detection accessible.

Im Gegensatz dazu konnte mit MID-Durchflussmessern (magnetisches induktives Prinzip nach Faraday) – allerdings mit Elektroden, also nicht berührungslos – die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden, aber nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten und keine Partikel. Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Bestimmung von nicht leitfähigen Medien geeignet, wobei im Gegensatz zu den herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmessgeräten der Einsatz auf neue, bisher nicht zugängliche Medien erweitert wird, insbesondere kompressible Flüssigkeiten, Öle, hochgesättigte Suspensionen und Dispersionen, Klebstoffe mit Ausgasungseffekten, wie anaerobe Kleber und dgl.in the In contrast, with MID flowmeters (magnetic inductive Principle according to Faraday) - however with electrodes, not non-contact - the flow velocity be measured, but only for electrically conductive liquids and no particles. In contrast, is the device according to the invention also suitable for the determination of non-conductive media, wherein unlike the conventional ones Ultrasonic flow meters the deployment is extended to new, previously inaccessible media, especially compressible liquids, oils, highly saturated suspensions and dispersions, adhesives with outgassing effects, such as anaerobic Glue and the like

Wie oben beschrieben, kommt es nämlich entscheidend darauf an, daß die ausgesandte physikalische Eigenart der Schallwelle unverfälscht und möglichst intensiv auf den Empfänger trifft.As as described above, it happens crucial to the fact that the emitted physical property of the sound wave unadulterated and preferably intense on the receiver meets.

Der Schallleitkörper hat in einer ersten Version zwei planparallele Flächen. Dies ermöglicht, daß nur die longitudinale Schallwelle in die Flüssigkeit eingeleitet wird. Flüssigkeiten können nur solche longitudinale Wellen übertragen. So kann auch diese Welle in gleicher Art wieder empfangen werden. Das ist auch hinsichtlich der Energieübertragung und Verluste die optimalste Art.Of the Schallleitkörper has in a first version two plane-parallel surfaces. This allows that only the longitudinal sound wave is introduced into the liquid. liquids can only transmit such longitudinal waves. So this wave can be received in the same way again. That's also in terms of energy transfer and losses optimal kind.

Der Schallleitkörper in der zweiten Version, d.h. mit gestuften Schalldurchtrittsflächen gemäß dem Anspruch 3 entspricht ebenso dem Prinzip der planparallelen Flächen, allerdings längengestuft.Of the Schallleitkörper in the second version, i. with stepped sound transmission surfaces according to the claim 3 also corresponds to the principle of plane-parallel surfaces, however length stepped.

Da es konkave wie konvexe Piezo-Schallwandler gibt, muß die Fläche des Schallleitkörpers nicht planparallel sein. Die Schallaustrittsfläche zum zu messenden Medium kann deshalb auch als eine gewölbte Fläche entsprechend einer Linse ausgebildet sein. Es kommt nur darauf an, daß die Welle senkrecht zur jeweiligen Stelle der Oberfläche des Schallleitkörpers austritt.There there are concave as well as convex piezoelectric transducers, the area of the Schallleitkörpers not be plane-parallel. The sound exit surface to the medium to be measured can therefore also be considered a curved one area be formed according to a lens. It just depends that the Wave emerges perpendicular to the respective point of the surface of the Schallleitkörpers.

Nachstehend sind die Schallgeschwindigkeit (c), Dichte (ρ), Schallimpedanz (Z) und (teilweise) die Dämpfung (D) für einige Stoffe angegeben.below are the speed of sound (c), density (ρ), sound impedance (Z) and (partially) the damping (D) for given some substances.

Figure 00070001
Figure 00070001

Der Schallleitkörper besteht erfindungsgemäß aus einem Material, das eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache, vorzugsweise höchstens das 8-fache der Schallimpedanz der Flüssigkeit oder des sonstigen das Messrohr durchströmenden Mediums beträgt. Damit wird eine hohe Energieeinkopplung und demzufolge hohe Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.Of the Schallleitkörper consists according to the invention of a Material that has an acoustic impedance that is at most 15 times, preferably at most 8 times the sound impedance of the fluid or other fluid flowing through the measuring tube Medium is. This is a high energy input and consequently high performance the device according to the invention guaranteed.

Das Material des Schallleitkörpers sollte allerdings auch einen hohen E-Modul von wenigstens 10 GPa, vorzugsweise wenigstens 20 GPa aufweisen.The Material of the sound conducting body should, however, also have a high modulus of elasticity of at least 10 GPa, preferably at least 20 GPa.

Als besonders geeignetes Material für den Schallleitkörper hat sich Glaskohlenstoff herausgestellt. 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 Glaskohlenstoff einen hohen E-Modul von 35 GPa auf.When particularly suitable material for the sound conductor glassy carbon has turned out. Glassy carbon possesses an acoustic impedance of about 7 MPas / m, i. if that is the measuring tube flowing through Medium, e.g. Water, has a sound impedance of 1.5 MPas / m The acoustic impedance of glassy carbon only about five times about that. In addition, glassy carbon has a high modulus of elasticity of 35 GPa.

Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)). Gegebenenfalls kann erfindungsgemäß z.B. auch Quarzglas verwendet werden oder Glaskeramik.Glassy carbon is a carbon form with a glassy fracture pattern (see Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)). Optionally, according to the invention, e.g. also Quartz glass can be used or glass ceramic.

Glaskohlenstoff besitzt allerdings elektrisch leitende Eigenschaften. Demgemäß kann es bei Verwendung von Glaskohlenstoff als Schallleitkörper notwendig werden, zwischen dem Schallleitkörper und dem Schallwandler einen dünnen elektrischen Isolator, z.B. aus Kunststoff, beispielsweise Acrylkunststoff, oder Keramik oder Glas, anzubringen, oder der Schallleitkörper wird auf „Ground" gelegt. Dann liegt auch die Flüssigkeit auf „Massepotential".Glassy carbon has, however, electrically conductive properties. Accordingly, it can when using glassy carbon as Schallleitkörper necessary be, between the Schallleitkörper and the transducer a thin one electrical insulator, e.g. made of plastic, for example acrylic plastic, or ceramic or glass, or to be the sound conductor Put on "Ground." Then it lies also the liquid on "ground potential".

Demgegenüber ist, wenn das Medium Wasser eine Schallimpedanz von 1,5 MPas/m hat, aus der Sicht der Energiebilanz und der Beibehaltung physikalisch gleichartiger Schalldruckwellen, beispielsweise Stahl als Schallleitkörper ungeeignet, ebenso Aluminiumoxid-Keramik mit einer Schallimpedanz von 32 MPas/m.In contrast, if the medium water has a sound impedance of 1.5 MPas / m The view of the energy balance and the maintenance of physically more similar Sound pressure waves, such as steel unsuitable as a sound guide, also alumina ceramic with a sound impedance of 32 MPas / m.

Dadurch werden die Energieverluste und Verluste durch Umwandlung in andere Arten von Schallwellen (longitudinal in transversal), die sonst bei der Ultraschall-Durchflussmessung auftreten, wesentlich herabgesetzt.Thereby Energy losses and losses are transformed into others Types of sound waves (longitudinal in transversal), the otherwise occur in the ultrasonic flow measurement, significantly reduced.

Damit werden Flüssigkeiten messbar, die bisher einer Ultraschall-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 Vorrichtung beispielsweise in der Papierindustrie zur Durchflussmessung der Flüssigkeiten für den Papiervorstrich oder -hauptstrich einsetzbar, oder zur Durchflussmessung von Lacken und Beschichtungsmittel und zugleich zur Detektion von Partikeln, die Fehlstellen in der Oberfläche erzeugen.Thus, liquids can be measured that were previously inaccessible to ultrasonic flow measurement, in particular high-damping, highly viscous, compressible liquids, as well as suspensions or dispersions having a high particle content of eg 50 wt .-% and more. Thus, the device according to the invention can be used, for example, in the paper industry for flow measurement of the liquids for the paper precoat or main coating, or for flow measurement of lacquers and coating compositions and at the same time for the detection of particles that generate imperfections in the surface.

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 Miniaturisierung der Messvorrichtung möglich.At usual, So not high damping liquids because of its high sensitivity with the device according to the invention the sound path shorter and thus the measuring tube are made smaller in diameter. This miniaturization of the measuring device is possible.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher als etwa zigarettenschachtelgroßer Messkopf mit einer Durchgangsbohrung ausgebildet, an die das eine bzw. andere Ende des Messrohres angeschlossen ist. Knapp daneben befindet sich die Elektronik des Messwertaufnehmers.Preferably is the device according to the invention therefore as about cigarette box sized measuring head with a through hole formed, connected to the one or the other end of the measuring tube is. Just next to it is the electronics of the sensor.

Der Messkopf kann dazu aus einem Messkopfkörper z.B. aus Kunststoff, beispielsweise einem Fluorpolymeren, wie PVDF bestehen oder aus Edelstahl. Die Durchgangsbohrung kann an ih ren Enden jeweils mit einem Innengewinde versehen sein, in das das Messrohr eingeschraubt ist.Of the Measuring head can for this purpose from a measuring head body, e.g. made of plastic, for example a fluoropolymer such as PVDF or stainless steel. The Through hole can at ih ren ends each with an internal thread be provided, in which the measuring tube is screwed.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Messkopf zeigt.below The invention is explained in more detail by way of example with reference to the drawing, whose single figure a longitudinal section through a measuring head shows.

Der Messkopf 1 ist zur Ultraschall-Laufzeitmessung ausgebildet. Dazu ist ein Messrohr 2 mit einem Ultraschall-Sendewandler 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.The measuring head 1 is designed for ultrasonic transit time measurement. This is a measuring tube 2 with an ultrasonic transmitting transducer 3 and an ultrasonic receiving transducer 4 Mistake. The two converters 3 . 4 are directed against each other, ie the transmitting transducer 3 is in the flow direction of the liquid according to the arrow 5 directed while the receiving transducer 4 against the flow direction 5 is directed.

Ferner sind die Wandler 3, 4 in einem solchen Abstand voneinander angeordnet, dass der Schallstrahl 6, der an einer Reflexionsfläche 7 an der Messrohrinnenwand reflektiert wird, zwischen dem Sendewandler 3 und dem Empfangswandler 4 einen V-förmigen Verlauf besitzt.Further, the transducers 3 . 4 arranged at such a distance from each other that the sound beam 6 which is at a reflection surface 7 is reflected at the measuring tube inner wall, between the transmitting transducer 3 and the receiving transducer 4 has a V-shaped course.

Es versteht sich, dass der schräg zur Messrohrlängsachse 8 verlaufende Schallstrahl 6 auch zweimal oder noch öfter an der Messrohrinnenwand reflektiert, also z.B. bei einer zweimaligen Reflexion auch einen W-förmigen oder Z-förmigen Verlauf aufweisen kann, oder z.B. einen VW-förmigen Verlauf.It is understood that the obliquely to the measuring tube longitudinal axis 8th running sound beam 6 Also reflected twice or more often on the measuring tube inner wall, so for example, in a two-time reflection may also have a W-shaped or Z-shaped curve, or, for example, a VW-shaped course.

Die Schallwandler 3, 4, die jeweils als plättchenförmige Piezoelemente ausgebildet sind, sind jeweils auf der äußeren Stirnseite eines stiftförmigen Schallleitkörpers 10, 11 angeordnet, der aus einem Material mit einer Schallimpedanz besteht, die höchstens das 15-Fache der Schallimpedanz der in dem Messrohr 2 strömenden Flüssigkeit beträgt. Vorzugsweise bestehen die Schallleitkörper 10, 11 aus Glaskohlenstoff.The sound transducer 3 . 4 , which are each formed as a plate-shaped piezoelectric elements, are each on the outer end face of a pin-shaped Schallleitkörpers 10 . 11 arranged, which consists of a material with a sound impedance, which is at most 15 times the acoustic impedance of the in the measuring tube 2 flowing liquid. Preferably, the Schallleitkörper exist 10 . 11 from glassy carbon.

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 Schallleitkörper 11 in den Empfangsschallwandler 4 ist das Messrohr 2 am inneren Ende der Schallleitkörper 10, 11 mit einer fensterförmigen Ausnehmung 12, 13 versehen.For the passage of the sound beam 6 from the transducer 3 through the sound conductor 10 into the liquid in the measuring tube 2 or from the liquid in the measuring tube 2 through the sound conductor 11 in the receiving transducers 4 is the measuring tube 2 at the inner end of the Schallleitkörper 10 . 11 with a window-shaped recess 12 . 13 Mistake.

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.Between the transducers or piezo plates 3 . 4 is, if necessary, an insulating layer 14 . 15 provided, for example, acrylic, ceramic, etc., to the Schallleitkörper 10 . 11 from the piezo plate 3 . 4 electrically isolate.

Zur Aufnahme der Schallleitkörper 10, 11 sind auf dem Messrohr Reiter oder ein kompakter Aufnahmekörper 16, 17 befestigt, 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, eingepreßt oder eingesintert.For receiving the sound conducting body 10 . 11 are on the measuring tube rider or a compact receiving body 16 . 17 fastened, each of which is provided with a bore, in which the Schallleitkörper 10 . 11 are arranged. Around the measuring tube 2 To seal the outside, are the Schallleitkörper 10 . 11 in the holes by O-rings or the like. Sealant 18 . 19 , For example, by fluorocarbon or fluorohydrocarbon polymers such as polytetrafluoroethylene, sealed, eg glued, pressed or sintered.

Das Messrohr 1 kann beispielsweise aus Stahl, Glas oder Glaskohlenstoff bestehen.The measuring tube 1 may for example consist of steel, glass or glassy carbon.

Um eine Schallbrechung nach Snellius (und weitere Störeffekte) 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 Längsachse senkrechte, also zum Piezoelement 3 bzw. 4 parallele Stirnfläche als Grenzfläche zur Flüssigkeit besitzen. Allerdings wird dadurch ein Totvolumen zwischen dieser Grenzfläche, der Bohrung in dem Aufnahmekörper 16, 17 und dem Messrohr 2 gebildet. In diesem Totvolumen können sich Gasblasen ansammeln, die zu einer vorübergehenden Schwächung bzw. Un terbrechung des Schallstrahls 6 und damit zur Funktionsunfähigkeit der Vorrichtung führen können.To a sound refraction according to Snellius (and other perturbing effects) at the interface between the sound conductor 10 . 11 and the liquid in the measuring tube 2 To prevent, the sound beam occurs 6 through this interface vertically. These can be the Schallleitkörper 10 . 11 a vertical to its longitudinal axis, so the piezoelectric element 3 respectively. 4 have parallel end face as an interface to the liquid. However, this creates a dead volume between this interface, the bore in the receiving body 16 . 17 and the measuring tube 2 educated. In this dead volume, gas bubbles can accumulate, leading to a transient Henden weakening or interruption of the sound beam 6 and thus can lead to the malfunction of the device.

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 Messrohres 2 fluchten.To prevent this is the interface between the Schallleitkörpern 10 . 11 and the liquid in the measuring tube 1 with staircase-shaped sound transmission surfaces 21 . 22 , ..., which are the sound beam 6 perpendicular, with the edges of the stairs to the inner wall of the measuring tube 2 aligned.

Claims (3)

Vorrichtung zur purchflußmessung mit einem von dem zu messenden Medium durchströmten Meßrohr (2), zwei gegeneinander ausgerichteten Ultraschallwandlern (3, 4), die einen Schallstrahl (6) senden bzw. empfangen, und wenigstens einem Reflektor an der Meßrohrinnenwand zur Reflexion des Schallstrahls (6), wobei der Reflektor durch eine zur Meßrohrlängsachse planparallele Reflexionsfläche (7) gebildet wird und das Meßrohr (2) außerhalb der Reflexionsfläche (7) einen runden Querschnitt aufweist, wobei die Meßrohrwand zum Durchtritt des Schallstrahls (6) vom Sendeschallwandler (3) in das Medium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler (4) mit einer Ausnehmung (12, 13) versehen ist und zwischen den Ultraschallwandlern (3, 4) und dem Medium jeweils ein Schallleitkörper (10, 11) angeordnet ist, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl (6) senkrecht hindurchtritt und der eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache der Schallimpedanz des Mediums beträgt.Device for measuring bore flow with a measuring tube through which the medium to be measured flows (US Pat. 2 ), two mutually aligned ultrasonic transducers ( 3 . 4 ), which produces a sound beam ( 6 ), and at least one reflector on the Meßrohrinnenwand for reflection of the sound beam ( 6 ), wherein the reflector by a plane parallel to the Meßrohrlängsachse reflection surface ( 7 ) is formed and the measuring tube ( 2 ) outside the reflection surface ( 7 ) has a round cross-section, wherein the measuring tube wall for the passage of the sound beam ( 6 ) from the transducer ( 3 ) in the medium or from the medium to the receiving sound transducer ( 4 ) with a recess ( 12 . 13 ) and between the ultrasonic transducers ( 3 . 4 ) and the medium in each case a Schallleitkörper ( 10 . 11 ) is arranged, through whose interface with the medium of the sound beam ( 6 ) passes vertically and has a sound impedance which is at most 15 times the acoustic impedance of the medium. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Schallleitkörper (10, 11) aus Glaskohlenstoff besteht.Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one of the Schallleitkörper ( 10 . 11 ) consists of glassy carbon. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche zum senkrechten Durchtritt des Schallstrahls (6) mit treppenförmig angeordneten, zum Schallstrahl (6) senkrecht verlaufenden Schalldurchtrittsflächen (21, 22, 23...) versehen ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the boundary surface for the vertical passage of the sound beam ( 6 ) arranged in a staircase, to the sound beam ( 6 ) perpendicular sound transmission surfaces ( 21 . 22 . 23 ...) is provided.
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