DE20107894U1 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
ULTRASCHALLFLUßMEßGERÄTULTRASONIC FLOW METER
Diese Erfindung betrifft ein Ultraschallflußmeßgerät zur Messung von Fluidfluß, wie z.B. Wasserfluß, zur späteren Verwendung für die Berechnung von beispielsweise Wasserverbrauch oder Wärmeverbrauch im Haushalt.This invention relates to an ultrasonic flow meter for measuring fluid flow, such as water flow, for later use in calculating, for example, water consumption or heat consumption in the household.
Typisch sind Haushaltsflußmeßgeräte mechanisch dadurch aufgebaut, daß im Strömungsrohr selbst ein kleiner Rotor angeordnet ist und aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors Flüsse berechnet werden, die dann wieder zur Bestimmung des Wärmeverbrauchs genutzt werden können. Diese Flußmeß geräte sind in speziellen Flußmeßgerätgehäusen angeordnet, die beispielsweise in einer Wand eingemauert sein können.Typically, household flow meters are mechanically constructed in such a way that a small rotor is arranged in the flow tube itself and flows are calculated from the rotation speed of the rotor, which can then be used to determine heat consumption. These flow meters are arranged in special flow meter housings, which can be built into a wall, for example.
Ultraschallflußmeßgeräte sind auf Ultraschall basiert und fungieren dadurch, daß von Wandlern Ultraschall mit bzw. gegen den Strom des Fluids gestrahlt wird. Der ausgestrahlte Ultraschall wird danach von Wandlern aufgefangen, und aus dem Unterschied in der Übertragungszeit können Fluß und Wasserverbrauch berechnet werden.Ultrasonic flow meters are ultrasound-based and work by emitting ultrasound from transducers with or against the flow of the fluid. The emitted ultrasound is then picked up by transducers and the difference in transmission time can be used to calculate flow and water consumption.
Um die bei der Verwendung von Ultraschall zur Flußmessung entstehenden Vorteile erhalten zu können, ist es von Interesse, Ultraschallflußmeßgeräte in den bereits existierenden Flußmeßgerätgehäusen anordnen zu können, so daß die mechanischen Flußmeßgeräte ersetzt werden können ohne die oft eingemauerten Flußmeß gerätgehäuse entfernen zu müssen. Dies gibt jedoch Probleme, da in den Flußmeß gerätgehäusen sehr wenig Platz ist und man deshalb aufgrund eines sehr kurzen Meß rohres keine ausreichend genaue Flußmessung erhalten kann.In order to be able to obtain the advantages of using ultrasound for flow measurement, it is of interest to be able to arrange ultrasonic flow meters in the already existing flow meter housings so that the mechanical flow meters can be replaced without having to remove the often bricked-in flow meter housings. However, this causes problems because there is very little space in the flow meter housings and therefore a sufficiently accurate flow measurement cannot be obtained due to a very short measuring tube.
Mit der Erfindung ist es erwünscht, ein Ultraschallflußmeßgerät zur Anordnung in existierenden Flußmeßgerätgehäusen zu schaffen, so daß eine genaue Flußmessung erreicht wird.It is an object of the invention to provide an ultrasonic flow meter for placement in existing flow meter housings so that accurate flow measurement is achieved.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein Ultraschallflußmeßgerät erreicht, das ein Meßrohr, Reflektoren und Ultraschallwandler umfaßt. Die Reflektoren sind an den Enden des Meßrohres angeordnet, so daß eine Reflektorfläche eines erstenThis object is achieved according to the invention by an ultrasonic flow meter comprising a measuring tube, reflectors and ultrasonic transducers. The reflectors are arranged at the ends of the measuring tube so that a reflector surface of a first
Reflektors gegen eine Reflektorfläche eines zweiten Reflektors wendet und wobei die Reflektorflächen einen ersten Winkel zu einer Ebene parallel zur Flußrichtung durch das Meßrohr haben. Es sind weiterhin ein erster und ein zweiter Ultraschallwandler über dem ersten bzw. zweiten Reflektor angeordnet, wobei die Ausbreitungsrichtungen der Wandler einen zweiten Winkel zu einer Ebene parallel zur Flußrichtung bilden und wobei die Ultraschallwandler auf die Reflektorflächen zeigen. Die Ultraschallwandler sind derart angeordnet, daß der Ultraschallwandler an dem einen Ende des Meßrohres vom Ultraschallwandler an dem anderen Ende des Meß rohres weg zeigt.
10reflector against a reflector surface of a second reflector and wherein the reflector surfaces have a first angle to a plane parallel to the direction of flow through the measuring tube. Furthermore, a first and a second ultrasonic transducer are arranged above the first and second reflectors, respectively, wherein the propagation directions of the transducers form a second angle to a plane parallel to the direction of flow and wherein the ultrasonic transducers point towards the reflector surfaces. The ultrasonic transducers are arranged such that the ultrasonic transducer at one end of the measuring tube points away from the ultrasonic transducer at the other end of the measuring tube.
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Dadurch kann man eine maximale Ausnutzung des Platzes im Flußmeßgerätgehäuse erreichen, so daß ein langes Meßrohr verwendet werden kann und man dadurch eine genaue Flußmessung erreicht, indem die Schußlänge in Flußrichtung vergrößert wird.This allows maximum utilization of the space in the flowmeter housing so that a long measuring tube can be used and an accurate flow measurement can be achieved by increasing the shot length in the direction of flow.
In einer Ausführungsform liegt der zweite Winkel zwischen den Ultraschallwandlem und der Ebene parallel zur Flußrichtung zwischen 15° und 35°. Dies hat sich bei einem besonderen Typ von Ultraschallflußmeßgeräten als zweckmäßig erwiesen, und eben 25° haben sehr gute Resultate in der nachstehend beschriebenen, spezifischen Ausführungsform ergeben.In one embodiment, the second angle between the ultrasonic transducers and the plane parallel to the flow direction is between 15° and 35°. This has been found to be useful in a particular type of ultrasonic flow meter, and 25° has given very good results in the specific embodiment described below.
In einer besonderen Ausführungsform ist das Meßrohr im Verhältnis zum Einlauf und Auslauf des Flußmeßgerätgehäuses gedreht, so daß die Mittelachse des Meßrohres einen Winkel von zwischen 30° und 60° mit einer Mittelachse durch den Einlauf und Auslauf bildet und daß das Rohr mit Mitteln zur Aufteilung des Flußmeßgerätgehäuses in eine Einlaufverteilerkammer und eine Auslaufverteilerkammer verbunden ist.In a particular embodiment, the measuring tube is rotated in relation to the inlet and outlet of the flow meter housing so that the central axis of the measuring tube forms an angle of between 30° and 60° with a central axis through the inlet and outlet and that the tube is connected to means for dividing the flow meter housing into an inlet distribution chamber and an outlet distribution chamber.
Dadurch wird eine Einlaufverteilerkammer und eine Auslaufverteilerkammer gebildet, wobei eventuelle Unterschiede in Geschwindigkeitsprofilen im Einlauf und dadurch mit variierenden Einlaufprofilen verbundene Meßungenauigkeiten entfernt werden. 30This creates an inlet distribution chamber and an outlet distribution chamber, eliminating any differences in velocity profiles in the inlet and thus any measurement inaccuracies associated with varying inlet profiles. 30
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist das Meßrohr im Verhältnis zum Einlauf und Auslauf des Flußmeßgeräthäuses gedreht, so daß die Mittelachse des Meßrohres einen Winkel von 45° bildet.In a particularly advantageous embodiment, the measuring tube is rotated in relation to the inlet and outlet of the flow meter housing so that the central axis of the measuring tube forms an angle of 45°.
In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung werden die Mittel zur Aufteilung des Flußmeßgerätgehäuses durch senkrecht zum Meßrohr und auf jeder Seite des Meß rohres angeordnete Sperrwände dargestellt, so daß die Enden der Sperrwände dicht an die Seitenwand des Flußmeßgerätgehäuses anschließen und das Flußmeß gerätgehäuse in eine Einlaufverteilerkammer und eine Auslaufverteilerkammer aufteilen. Dies hat sich als eine zweckmäßige Konstruktion erwiesen.In one embodiment according to the invention, the means for dividing the flow meter housing are provided by barrier walls arranged perpendicular to the measuring tube and on each side of the measuring tube, so that the ends of the barrier walls adjoin tightly to the side wall of the flow meter housing and divide the flow meter housing into an inlet distribution chamber and an outlet distribution chamber. This has proven to be a convenient construction.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, wobeiThe invention is described in more detail below with reference to the drawing, in which
Fig. 1a einen Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht zeigt,Fig. 1a shows a cross-section of an ultrasonic flow meter according to the invention in a side view,
Fig. 1b einen Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht zeigt, wobei das Ultraschallflußmeßgerät eine konische Zylinderform hat,Fig. 1b shows a cross-section of an ultrasonic flow meter according to the invention in a side view, the ultrasonic flow meter having a conical cylindrical shape,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes gemäß der Erfindung in einer Draufsicht zeigt,Fig. 2 shows a cross-section of an ultrasonic flow meter according to the invention in a plan view,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes gemäß der Erfindung in einer Draufsicht zeigt, wobei das Meßrohr mit einem Winkel im Verhältnis zum Ein- und Auslauf gedreht ist.Fig. 3 shows a cross-section of an ultrasonic flow meter according to the invention in a plan view, wherein the measuring tube is rotated at an angle in relation to the inlet and outlet.
Aus Fig. 1a ist ein Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes 1 gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht ersichtlich. Das Ultraschallflußmeßgerät 1 ist in einem Flußmeßgerätgehäuse 3 angeordnet. Das Flußmeßgerätgehäuse 3 umfaßt einen Einlauf 5 und einen Auslauf 7. Der Einlauf 5 und der Auslauf 7 haben einen inneren Durchmesser entsprechend beispielsweise einem Wasserrohr, wobei das Flußmeß gerätgehäuse 3 in einer dichten Verbindung zwischen zwei Wasserrohren angeordnet werden kann.Fig. 1a shows a cross-section of an ultrasonic flow meter 1 according to the invention in a side view. The ultrasonic flow meter 1 is arranged in a flow meter housing 3. The flow meter housing 3 comprises an inlet 5 and an outlet 7. The inlet 5 and the outlet 7 have an inner diameter corresponding to, for example, a water pipe, whereby the flow meter housing 3 can be arranged in a tight connection between two water pipes.
Das Ultraschallflußmeßgerät 1 umfaßt ein Meßrohr 9, und an jedem Ende des Meß rohres 9 sind Reflektoren mit Reflektorflächen 11, 13 mit einem ersten Winkel &agr; zu einer Flußebene parallel zur Flußrichtung angeordnet. Die Reflektorflächen 11,13 sind derart angeordnet, daß die Reflektorfläche 11 an dem einen Ende des Meß rohres 9 gegen die Reflektorfläche 13 an dem anderen Ende des Meßrohres 9 gerichtet ist. Oberhalb der Reflektorflächen 11,13 sind Ultraschallwandler 15 und 17 angeordnet. Diese Ultraschallwandler sind mit einem Winkel &bgr; zur Flußebene derart angeordnet, daß der Ultraschallwandler 15 an dem einen Ende des Meßrohres 9 vom Ultraschallwandler 17 an dem anderen Ende des Meßrohres 9 weg zeigt.The ultrasonic flow meter 1 comprises a measuring tube 9, and at each end of the measuring tube 9 reflectors with reflector surfaces 11, 13 are arranged at a first angle α to a flow plane parallel to the flow direction. The reflector surfaces 11, 13 are arranged such that the reflector surface 11 at one end of the measuring tube 9 is directed against the reflector surface 13 at the other end of the measuring tube 9. Ultrasonic transducers 15 and 17 are arranged above the reflector surfaces 11, 13. These ultrasonic transducers are arranged at an angle β to the flow plane such that the ultrasonic transducer 15 at one end of the measuring tube 9 points away from the ultrasonic transducer 17 at the other end of the measuring tube 9.
Wenn durch das Meßrohr 9 Wasser geleitet wird, kann das Ultraschallflußmeßgerät 1 Ultraschall zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit verwenden. Das Ultraschallflu ßmeßgerät 1 ist derart beschaffen, daß in eine Ausbreitungsrichtung vom einen Wandler 15, 17 abgestrahlter Ultraschall durch die beiden Reflektorflächen 11, 13 auf dem anderen Wandler 15, 17 entgegen dessen Ausbreitungsrichtung reflektiert wird, wobei der andere Wandler 15, 17 als Empfänger fungiert. Entsprechend können der zweite Wandler 15, 17 als Sender und der erste Wandler 15, 17 als Empfänger fungieren, so daß sowohl mit als auch gegen den Strom im Meßrohr 9 gemessen wird. Die beiden Signale von Ultraschall können gleichzeitig oder verschoben gestrahlt werden. Da der Schall mehr Zeit in Anspruch nimmt, um sich gegen die Flußrichtung als entlang der Flußrichtung zu bewegen, kann ein Unterschied in den beiden Übertragungszeiten zur Bestimmung der Flußrichtung verwendet werden.When water is passed through the measuring tube 9, the ultrasonic flow meter 1 can use ultrasound to measure the flow velocity. The ultrasonic flow meter 1 is designed in such a way that ultrasound emitted in one direction of propagation by one transducer 15, 17 is reflected by the two reflector surfaces 11, 13 on the other transducer 15, 17 against its direction of propagation, the other transducer 15, 17 acting as a receiver. Accordingly, the second transducer 15, 17 can act as a transmitter and the first transducer 15, 17 as a receiver, so that measurements are taken both with and against the flow in the measuring tube 9. The two ultrasound signals can be emitted simultaneously or shifted. Since the sound takes more time to travel against the flow direction than along the flow direction, a difference in the two transmission times can be used to determine the flow direction.
Die Schußlänge ist der Mittelabstand in Flußrichtung zwischen den Reflektorflächen 11, 13. In der vorliegenden Erfindung ist die Schußlänge ohne die äußeren Dimensionen des Ultraschallflußmeßgerätes zu ändern dadurch maximiert, daß die Ultraschallwandler 15, 17 mit einem Winkel &bgr; zur Flußebene derart angeordnet werden, daß ein Ultraschallwandler 15, 17 an dem einen Ende des Meßrohres 9 von einem anderen Ultraschallwandler 15, 17 an dem anderen Ende des Meßrohres 9 weg zeigt.The shot length is the center distance in the flow direction between the reflector surfaces 11, 13. In the present invention, the shot length is maximized without changing the external dimensions of the ultrasonic flow meter by arranging the ultrasonic transducers 15, 17 at an angle β to the flow plane such that an ultrasonic transducer 15, 17 at one end of the measuring tube 9 points away from another ultrasonic transducer 15, 17 at the other end of the measuring tube 9.
Der Winkel &bgr; wird je nach Abstand zwischen den Reflektoren und dem Winkel &agr; der Reflektorflächen zur Flußebene gewählt. Darüber hinaus hängt &bgr; auch vom Abstand zwischen den Ultraschallwandlern 15,17 ab.The angle β is selected depending on the distance between the reflectors and the angle α of the reflector surfaces to the flow plane. In addition, β also depends on the distance between the ultrasonic transducers 15,17.
Aus Fig. 1b ist ein Querschnitt eines Ultraschallflußmeßgerätes 1 gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht ersichtlich, wobei das Ultraschallflußmeßgerät 1 eine konische Zylinderform hat. Damit wird ermöglicht, daß das Ultraschallflußmeßgerät 1 auch in bekannte, zu eben konisch geformten Flußmeßgeräten 1 gestaltete Flußmeß gerätgehäuse 3 paßt. Das Flußmeßgerätgehäuse ist nicht gezeigt.Fig. 1b shows a cross-section of an ultrasonic flow meter 1 according to the invention in a side view, the ultrasonic flow meter 1 having a conical cylindrical shape. This makes it possible for the ultrasonic flow meter 1 to also fit into known flow meter housings 3 designed for flow meters 1 with a flat, conical shape. The flow meter housing is not shown.
Aus Fig. 2 ist ein Querschnitt eines in einem Flußmeßgerätgehäuse 3 angeordneten Ultraschallflußmeßgerätes 1 in einer Draufsicht ersichtlich. Das Meßrohr 9 befindet sich in direkter Verlängerung des Ein- und Auslaufes 5, 7 im Flußmeßgerätgehäuse An jedem Ende des Meßrohres 9 sind Reflektorflächen 11, 13 erkennbar.Fig. 2 shows a cross-section of an ultrasonic flow meter 1 arranged in a flow meter housing 3 in a plan view. The measuring tube 9 is located in direct extension of the inlet and outlet 5, 7 in the flow meter housing. Reflector surfaces 11, 13 can be seen at each end of the measuring tube 9.
Aus Fig. 3 ist ein Querschnitt eines alternativen Ultraschallflußmeßgerätes 1 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht ersichtlich, wobei das Meßrohr 9 mit einem Winkel &ngr; im Verhältnis zu einer Mittelachse durch Ein- und Auslauf 5, 7 gedreht ist. Senkrecht zum Meßrohr sind zwei Sperrwände 23, 25 angeordnet, wobei die Enden der Sperrwände 23, 25 dicht an die Seitenwand des Flußmeßgerätgehäuses 1 anschließ en. Hierbei wird eine Einlaufverteilerkammer 27 und eine Auslaufverteilerkammer 29 gebildet, wobei Unterschiede in Geschwindigkeitsprofilen im Einlauf und dadurch mit variierenden Einlaufprofilen verbundene Meßungenauigkeiten entfernt werden. Das Einlaufprofil hängt vom Rohrverlauf zum Flußmeßgerät 1 ab, und Unterschiede im Einlaufprofil verursachen Unterschiede im Verhältnis zwischen der gemessenen Mittelgeschwindigkeit im Meßrohr 9 und im Fluß. Der Winkel &ngr; wird angemessen groß gewählt, so daß eine Einlaufverteilerkammer gebildet wird, die gleichmäßige Einlaufprofile zum Meßrohr schafft, jedoch darf der Winkel nicht so groß werden, daß im Meßrohr eine Luftloch gebildet werden kann, da der Ultraschall dann nicht von dem einen Wandler zum anderen Wandler überführt werden kann.Fig. 3 shows a cross-section of an alternative ultrasonic flow meter 1 according to the invention in a plan view, wherein the measuring tube 9 is rotated at an angle ν in relation to a central axis through the inlet and outlet 5, 7. Two barrier walls 23, 25 are arranged perpendicular to the measuring tube, the ends of the barrier walls 23, 25 closely adjoining the side wall of the flow meter housing 1. This forms an inlet distribution chamber 27 and an outlet distribution chamber 29, whereby differences in velocity profiles in the inlet and thus measurement inaccuracies associated with varying inlet profiles are removed. The inlet profile depends on the pipe route to the flow meter 1, and differences in the inlet profile cause differences in the relationship between the measured average velocity in the measuring tube 9 and in the flow. The angle ν is chosen to be suitably large so that an inlet distribution chamber is formed which creates uniform inlet profiles to the measuring tube, but the angle must not be so large that an air hole can form in the measuring tube, since the ultrasound can then not be transferred from one transducer to the other transducer.
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