DE10062875B4

DE10062875B4 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE10062875B4
Application number: DE2000162875
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Sonnenberg
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Hydrometer GmbH
Priority date: 2000-12-16
Filing date: 2000-12-16
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2020-12-17
Also published as: DE10062875A1

Abstract

Durchflußmesser für flüssige Medien mit einer Meßkammer, in der mindestens eine Sende-/Empfangseinheit (1) zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallsignalen (2), die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, angeordnet ist, wobei die Sende-/Empfangseinheit (1) mindestens einen Ultraschallwandler (3, 4) zur Schallerzeugung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Schall-Drucksensor (5; 6) vorgesehen ist, der Schall-Drucksensor (5; 6) innerhalb der Schallwegstrecke L des Ultraschallwandlers (3; 4) positioniert ist, mit dem Schall-Drucksensor (5; 6) ausschließlich schallwellenabhängige Meßsignale erzeugbar sind und nur letztere zur Schalllaufzeitermittlung herangezogen werden, wobei der Schall-Drucksensor (5; 6) einen definierten Startpunkt für die Schalllaufzeitermittlung bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige Medien mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Für einen meßtechnisch einwandfreien Sende- und Empfangsbetrieb einer Ultraschalldurchflußmessung ist die Unabhängigkeit von Störgrößen eine notwendige Voraussetzung. In der Praxis besitzen jedoch alle Komponenten einer Ultraschallmeßstrecke eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit gegenüber den Umwelt- und Mediumsfeldgrößen. Um die Differenzlaufzeit der von einer Sende/Empfangseinheit ausgesendeten und empfangenen Ultraschallsignale, die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, zu ermitteln, ist es zwingend erforderlich, daß bei der Strömungsgeschwindigkeit 0 des Mediums die jeweiligen Signallaufzeiten der gegenläufigen Ultraschallsignale gleich sind. Bei den bisher bekannten Lösungen wird diese Signalgleichheit, das sogenannte Reziprozitätsprinzip, durch möglichst geringe Abweichungen in der Sende- und Empfangsschaltung realisiert. Die bisher bekannten Sende/Empfangseinheiten sind derart aufgebaut, daß nur bestimmte Elemente, wie z.B. die die Ultraschallsignale aussendenden Ultraschallwandler (z.B. piezoelektrische Elemente), von beiden Signalpfaden durchlaufen werden. Die restlichen Teile des Signalpfades bzw. die dort angeordneten Bauteile werden nur von einer Seite durchlaufen, so daß alle Feldeinflüsse Unterschiede der Phasenlage erzeugen. Die Bauteile der Sende- und Empfangselektronik erweisen sich außerdem als äußerst empfindlich, bei denen Einkopplungen von parasitären Kapazitäten starke Meßabweichungen hervorrufen können. Ferner ergeben sich zeitliche Verzögerungen der Durchlaufzeit durch analoge Bauelemente von 1 nsec pro Bauteil (sog. Gatterlaufzeit), was ebenfalls zur oben geschilderten Verletzung des Gleichheitsprinzips führen kann. Meßbar ist demnach bisher nur die echte Schallaufzeit, was mit dem Nachteil verbunden ist, daß z. B. weder Temperatur-, Dichte- und Viskositäts-Messungen mit der Ultraschallmessung möglich sind. Die Temperaturmessung ist bisher nur mit einem Temperaturfühler durchführbar, die Dichtemessung erfolgt über die Konzentrationsverteilung. Zur Durchführung dieser Messungen müssen in den Ultraschallzähler die jeweiligen Meßvorrichtungen integriert sein, was zu einem relativ komplexen Aufbau des Ultraschallzählers führt.

Aus US 4,389,899 ist ein Durchflußmesser bekannt, bei dem in dem zu messenden Medium zwei elektroakustische Wandler eine Schallwegstrecke festlegen, innerhalb welcher die Schalllaufzeitermittlung stattfindet. Die Schalllaufzeitermittlung wird bei dieser bekannten Ausgestaltung durch wandlerbedingte Störgrößen nachteilig beeinflusst.

Die US 4,860,593 beschreibt eine Ultraschallmeßvorrichtung zur Messung der Durchflußrate von Fluid in einem Kanal, bei der Schallwellen von einem Transmitter zu einem ersten Empfänger sowie einem zweiten Empfänger übertragen werden. Die Signale der beiden Empfänger werden anschließend weiterverarbeitet und mit dem Signal eines ebenfalls im Durchlass befindlichen Druckwandlers korreliert.

Aus der US 5,513,535 A , der US 5,421,212 A sowie der WO 93/20411 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung von Fließgeschwindigkeiten von Gasen innerhalb einer Rohrleitung bekannt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird durch eine Polaritätskorrelation von Signalen zweier im Abstand L zueinander entlang einer Röhre positionierter Sensoren erfasst.

Die WO 93/14382 A1 betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit einer Gas/Flüssigkeitsfraktion in Röhren. Hierzu sind an der einen Seite der Röhre ein Wandler sowie auf der gegenüberliegenden Seite der Röhre drei Drucksensoren vorgesehen. Von diesen jeweils in unterschiedliche Entfernung bzw. auf unterschiedlicher Seite angeordneten Drucksensoren wird die von dem Wandler ausgesandte Schallwelle aufgenommen und anhand der gemessenen Unterschiede auf die Fließgeschwindigkeit geschlossen.

Die DE 84 22 080 U1 beschreibt eine Einrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes von Gasen und/oder Flüssigkeiten mittels der Laufzeitmessmethode mit akustischen Wellen, die sich innerhalb des Mediums zwischen Schallsensoren ausbreiten. Die beiden Schallsensoren liegen symmetrisch zum Schallsender, so dass die Durchflußinformation durch die Verschiebung der beiden Empfangssignale entsteht.

Aus der DE 196 05 164 C2 ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige oder gasförmige Medien mit einer durchströmten Messkammer sowie mit Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Signalen bekannt, wobei die Ultraschall-Signale die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen.

In der DE 42 13 170 C2 ist ein Ultraschall-Durchflußmesser für fluide Medien beschrieben, in dem eine Ultraschallmeßstrecke in einem vom fluiden Medium durchströmten Meßkanal angeordnet ist. Als Sender und/oder Empfänger sind Ultraschallwandler vorgesehen. Über eine Auswerteelektronik wird der Durchfluß des fluiden Mediums aufgrund der Laufzeit oder Phasendifferenz eines Ultraschall-Signals ermittelt. Der Meßkanal ist dabei schnecken- oder wendelförmig aufgewickelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallzähler mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß ein vollständig reziprok arbeitendes Meßverfahren geschaffen wird und damit die Schallaufzeit genauer als bisher ermittelbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflußmessers ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 – 23.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser weist zusätzlich mindestens einen Schall-Drucksensor auf, der Schall-Drucksensor ist innerhalb der Schallwegstrecke L des Ultraschallwandlers positioniert, mit dem Schall-Drucksensor sind ausschließlich schallwellenabhängige Meßsignale erzeugbar und nur letztere werden zur Schalllaufzeitermittlung herangezogen, wobei der Schall-Drucksensor einen definierten Startpunkt für die Schalllaufzeitermittlung bildet. Mittels dieser Schallaufzeitermittlung ist die Messung von Abweichungen z. B. in der Anordnung der Ultraschallwandler unabhängig. Die Ultraschallwandler sind nur noch für die Schallerzeugung verantwortlich, falls die Messung ausschließlich mittels der Drucksensoren erfolgt. Durch die Unabhängigkeit von der Anordnung der Ultraschallwandler wird damit ein vollständig reziprok arbeitendes Meßverfahren geschaffen.

Aus der ermittelten Schallaufzeit kann die Temperatur, Dichte oder Viskosität des zu messenden Mediums bestimmt werden.

Der Drucksensor nimmt also das Schallsignal auf, bevor es die für die Differenzlaufzeit genutzte Meßstrecke durchlaufen hat, und ermittelt damit einen definierten Startzeitpunkt an einer definierten Meßstelle.

Die Schallaufzeitermittlung kann über einen ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor erfolgen. Damit kann die Schallaufzeitermittlung ausschließlich mittels der Drucksensoren erfolgen und es wird wie oben bereits erläutert, ein vollständig reziprok arbeitendes Meßverfahren möglich.

Vorteilhafterweise können ein erster und ein zweiter Ultraschallwandler vorgesehen sein, die eine Schallwegstrecke L festlegen. Innerhalb der Schallwegstrecke L befinden sich ein erster und ein zweiter Drucksensor, die ebenfalls in einem festgelegten Abstand M zueinander angeordnet sind. Der erste Drucksensor kann dabei dem ersten Ultraschallwandler und der zweite Drucksensor dem zweiten Ultraschallwandler direkt zugeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß die Drucksensoren in einem anderen Winkel oder mit unterschiedlichen Abständen zu den Ultraschallwandlern angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Drucksensoren ist es in den genannten Konstellationen möglich, daß diese sowohl die erzeugten Schallsignale, die von dem dem jeweiligen Drucksensor zugeordneten Ultraschallwandler stammen, als auch die nach Durchlauf durch das zu messende Medium empfangenen Schallsignale in elektrische Signale umwandeln. Die Schallaufzeit wird also nur zwischen den Drucksensoren bestimmt und ist demnach von der Anordnung der Ultraschallwandler oder sonstiger Bauteile in der Sende/Empfangseinheit unabhängig.

Alternativ zu der oben beschriebenen Schallaufzeitermittlung zwischen den beiden Drucksensoren ist es auch möglich, daß die Schallaufzeitermittlung zwischen mindestens einem Ultraschallwandler und einem Drucksensor erfolgt.

In diesem Falle wird dann das Empfangssignal (nach der durchlaufenen Meßstrecke) von dem Ultraschallwandler aufgenommen. Es besteht dabei die Möglichkeit, daß nur ein Ultraschallwandler und ein Drucksensor vorgesehen sind, wobei die Ultraschallsignale die Strömung des zu messenden Mediums durchsetzen. Dabei wird die Zeit der Ultraschallsignale zwischen dem Ultraschallwandler und dem Drucksensor und zurück gemessen, woraus die Differenzlaufzeit ermittelbar ist.

Eine weitere Möglichkeit der Schallaufzeitermittlung sieht vor, daß der Drucksensor in einem definierten Abstand (z.B. exakt in der Mitte) zu den beiden Ultraschallwandlern angeordnet ist. Der Drucksensor dient bei dieser Anordnung der Aufnahme des von dem jeweiligen Ultraschallwandler ausgesendeten Signals, wobei die Ultraschallwandler der Aufnahme des die Strömung durchsetzenden Signals dienen. Bei dieser Ausführungsvariante muß entweder der Abstand zwischen Drucksensor und Ultraschallwandler bekannt, oder der Drucksensor genau in der Mitte zwischen den beiden Wandlern angeordnet sein, so daß die beiden gegenläufigen Ultraschallsignale dieselbe Meßstrecke zurücklegen, was für die exakte Schallaufzeitermittlung notwendig ist.

Der Drucksensor kann an einem Ultraschallreflektor, im Bereich einer Reflexionsfläche oder an einer vom Ultraschallsignal bestrahlten Wand angeordnet sein, so daß die Ultraschallsignale das Medium ungehindert durchlaufen können.

Sind die Drucksensoren jedoch im Bereich der Schallwegstrecke angeordnet, können diese zumindest teilweise schalldurchlässig sein, damit sich das von dem Ultraschallwandler ausgesendete Schallsignal trotz des Drucksensors ungehindert ausbreiten kann. Damit der Drucksensor für den Ultraschall durchlässig ist, können die Außenabmessungen der Drucksensoren höchstens der dreifachen Wellenlänge des Ultraschallsignals entsprechen.

Vorteilhaft kann die Anordnung der Drucksensoren im Strömungsbereich des zu messenden Mediums sein, da damit Schalllaufstrecken, die senkrecht zur Strömung oder ohne gerichtete Strömung (z.B. Totwasserräume, Nischen mit Wirbelbildung und Gebiete mit unstetigen oder instabilen Strömungszuständen) oder durch andere Medien als das zu messende Medium (z. B. durch einen Schallleitkörper) laufen, das Schalllaufverhalten des ausgesendeten und zur Messung herangezogenen Ultraschalls nicht beeinflussen. Wie oben bereits kurz erwähnt, kann sich zwischen dem Ultraschallwandler und dem dem Ultraschallwandler zugeordneten Durcksensor ein Schallleitkörper befinden, so daß die vom Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallsignale direkt in eine gut meßbare Strömung des Mediums eingeleitet werden.

Insbesondere in dem Falle, bei dem nur ein Ultraschallwandler und ein Drucksensor vorgesehen ist, sollte der Drucksensor ein sehr schnelles Anschwingverhalten aufweisen, da bereits die Zeit des ausgesendeten Ultraschallsignals zwischen Ultraschallwandler und Drucksensor gemessen wird.

Ferner besteht die Möglichkeit, daß ein Ultraschallwandlerpaar als nur ein piezokeramisches Bauteil ausgebildet ist, welches beidseitig Ultraschallsignale aussendet. Durch die damit geschaffene Sende/Empfangseinheit kann der gesamte Durchflußmesser äußerst kompakt ausgeführt werden.

Bei der Anordnung von zwei Drucksensoren kann die Schallaufzeit t_{Schall 1} in der einen Richtung (vom ersten zum zweiten Drucksensor) und die Schallaufzeit t_Schall
2 in der entgegengesetzten Richtung (vom zweiten zum ersten Drucksensor) ermittelt werden. Anhand der Laufzeiten kann dann der Laufzeitunterschied dt = t_{Schall 1} – t_{Schall 2} ermittelt werden. Durch die jeweils vollständig durchlaufenen Signalpfade der beiden, in unterschiedlichen Richtungen laufenden Ultraschallsignalen ist die jeweils absolute Schallaufzeit ermittelbar und der tatsächliche Laufzeitunterschied dt bestimmbar. Mittels der Kenntnis der absoluten Schallaufzeit ist auch die Temperatur, Dichte sowie Viskosität bestimmbar.

Ist dagegen nur ein Drucksensor und ein Ultraschallwandler vorgesehen, wird die Schallaufzeit vom Ultraschallwandler zum Drucksensor und zurück ermittelt, woraus dann ebenfalls der Laufzeitunterschied dt = t_Schall
1 – t_{Schall 2} bestimmt werden kann. Sind zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die zu dem Drucksensor in einem definierten Abstand angeordnet sind, wird die Laufzeit von dem Drucksensor zum zweiten Ultraschallwandler sowie vom Drucksensor zum ersten Ultraschallwandler ermittelt und daraus die Laufzeitdifferenz bestimmt.

Die Ultraschallwandler können mit einem Oszillator zur Erzeugung einer Oszillatorfrequenz über mindestens einen Pulsgenerator in Verbindung stehen. Zweckmäßigerweise ist dabei jedem Ultraschallwandler ein Pulsgenerator zugeordnet, die von dem Oszillator gestartet werden.

Die Zeitmessung kann bei zwei Drucksensoren derart erfolgen, daß nach einem Anschwingverhalten eines Wellenzugs ausgehend von einem ersten Ultraschallwandler die Schallaufzeit t_{Schall 1} durch die Formel t_{Schall 1} = (T_g1s2 – T_g1s1) + m₁·T_OS ermittelt wird. Dabei ist T_g1s1 die Zeit zwischen einem Referenzsignal und dem digitalisierten Empfangssignal am ersten Drucksensor, T_g1s2 ist die Zeit zwischen dem Referenzsignal nach m Schwingungen und dem digitalisierten Empfangssignal am zweiten Drucksensor. m₁ ist eine natürliche Zahl und markiert die Zahl der Schwingungen zwischen erstem und zweitem Drucksensor. Diese Zahl ermittelt man über die Schallaufzeit, die vom Meßsystem erwartet wird. T_OS ist die Periodenzeit des Oszillators und beträgt beispielsweise 1 μsec. Die Schallaufzeit t_{Schall 2} ist entsprechend umgekehrt durch die Formel t_{Schall 2} = (T_g2s1 – T_g2s2) + m2·T_OS ermittelbar. Der Laufzeitunterschied dt kann ermittelt werden durch die Formel dt = ((T_g1s2 – T_g1s1) + m₁·T_OS) – ((T_g2s1 – T_g2s2) + m₂·T_OS). Somit ist eine eindeutige Ermittlung von dt möglich, wenn die Periodenzeit des Oszillators T_OS (z. B. 1 μsec) größer ist als der Laufzeitunterschied dt (z.B. 600 nsec), da dann m den Wertebereich von – 2 < (m₁ – m₂) < 2 nicht überschreitet. Bei m₁ = m₂ beträgt der Laufzeitunterschied demnach dt = T_g1s2 – T_g1s1 – T_g2s1 + T_g2s2. Der Vorteil der Laufzeitunterschiedsmessung besteht demnach darin, daß Phasenverschiebungen, die durch die Drucksensoren entstehen können, sich durch die Subtraktion gegenseitig aufheben. Das dynamische Einschwingverhalten der Piezokeramik des Ultraschallwandlers muß nicht mehr in vollem Umfang berücksichtigt werden. Dadurch ist es möglich, im Signalburst ganz am Anfang zu messen, wenn aus der Meßstrecke noch keine Echosignale das Nutzsignal überlagert haben.

Entsprechend erfolgt die Zeitmessung bei nur einem Drucksensor, wobei hier jedoch die Empfangsverzögerungszeit des/der Ultraschallwandler mit in die Differenzlaufzeitermittlung miteingeht.

Mittels des Oszillators kann auch eine zweite Oszillatorfrequenz erzeugbar sein, mit welcher m bestimmbar ist.

Bei den Drucksensoren kann es sich z. B. um Piezoelemente, kapazitive Senoren auf Siliziumbasis oder Dehnungsmeßstreifen handeln. Der jeweilige Drucksensor kann als Differenzdrucksensor ausgebildet sein und damit in einfacher Weise sowohl die ausgesendeten als auch die empfangenen Ultraschallsignale aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln.

Der Drucksensor kann vorteilhafterweise als Verbund im Ultraschallwandler integriert sein, was zusätzliche Montageschritte und Signalzuführungen einspart.

Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen prinzipiellen Aufbau der Sende/Empfangseinheit,
2 eine prinzipielle Darstellung eines alternativen Aufbaus der Sende/Empfangseinheit,
3 eine schematische Darstellung der Schallaufzeitermittlung vom Drucksensor 1 zum Drucksensor 2 sowie
4 eine weitere alternative Ausführungsform eines prinzipiellen Aufbaus einer Sende/Empfangseinheit,
5 eine weitere alternative Ausführungsform eines prinzipiellen Aufbaus einer Sende/Empfangseinheit sowie
6 eine Anordnung einer Sende/Empfangseinheit in einer Wirbelmeßkammer.
1 zeigt die Sende/Empfangseinheit 1 eines Durchflußmessers für flüssige oder gasförmige Medien mit einer Meßkammer, die jedoch in der Zeichnungsfigur nicht näher dargestellt ist. Die Sende/Empfangseinheit 1 dient dem Aussendung und Empfangen von Ultraschallsignalen 2, die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums, welche durch den Pfeil angedeutet ist, durchsetzen. Die Sende/Empfangseinheit umfaßt zwei Ultraschallwandler 3, 4 zur Schallerzeugung, die insbesondere als piezoelektrische Elemente ausgebildet sind. Weiterhin sind Drucksensoren 5, 6 vorgesehen, mit welchen schallwellenabhängige Meßsignale zur Schallaufzeitermittlung erzeugbar sind. Die Ultraschallwandler 3, 4 dienen demnach nur der Schallerzeugung, die Drucksensoren 5, 6 lediglich der Aufnahme der von den Ultraschallwandlern ausgesendeten Ultraschallsignale zu Beginn der Schallwegstrecke und der die Schallwegstrecke durchsetzten Ultraschallsignale und Umwandlung in elektrische Meßsignale. Folglich ist die Ultraschallmeßung nicht von Störgrößen im Bereich der Ultraschallwandler und von der Schallwegstrecke zwischen Drucksensor und Ultraschallwandler abhängig und es kann ein vollständig reziprok arbeitendes Meßverfahren stattfinden. Für die Umwandlung der analogen elektrischen Meßsignale der Drucksensoren 5, 6 in digitale Signale ist z.B. ein A/D-Wandler 10 vorgesehen.
Der erste 3 und der zweite Ultraschallwandler 4 sind gemäß 1 derart angeordnet, daß sie eine Meßstrecke L festlegen, wobei sich innerhalb der Meßstrecke L ebenfalls in einem festgelegten Abstand M zueinander ein erster 5 und ein zweiter Drucksensor 6 befinden. Der erste Drucksensor 5 ist dem ersten Ultraschallwandler 3 und der zweite Drucksensor 6 ist dem zweiten Ultraschallwandler 4 zugeordnet. Die mit und entgegen der Strömungsrichtung laufenden Ultraschallsignale 2 durchsetzen somit den identischen Signalpfad, der durch den Abstand M festgelegt ist, so daß Nichtlinearitäten außerhalb dieses Meßpfades bei der Laufzeitermittlung der Ultraschallwellen keine Rolle spielen.
Bei dem alternativen Aufbau der Sende/Empfangseinheit 1 gemäß 2 sind die Drucksensoren 5, 6 nicht unmittelbar den Ultraschallwandlern 3, 4 zugeordnet, sondern befinden sich in der gerichteten Strömung, während die Ultraschallwandler 3, 4 in seitlichen Nischen des Strömungskanals angeordnet sind. Auch in diesem Falle ist die Messung von Unregelmäßigkeiten im Bereich der Ultraschallwandler 3, 4 bzw. der Strecke zwischen dem jeweiligen Ultraschallwandler und dem Drucksensor unabhängig, da für die Messung nur die Meßstrecke M zwischen den Drucksensoren 5, 6 von Bedeutung ist, die jeweils von den beiden gegenläufigen Ultraschallwellen durchsetzt wird.
Mittels dieser Anordnungen kann die Schallaufzeit t_Schall
1 in der einen Richtung vom ersten Drucksensor 5 zum zweiten Drucksensor 6 sowie die Schallaufzeit t_{Schall 2} in der entgegengesetzten Richtung vom zweiten Drucksensor 6 zum ersten Drucksensor 5 ermittelt werden. Anhand der Laufzeiten ist dann der Laufzeitunterschied dt = t_{Schall 1} – t_Schall
2 ermittelbar. Demnach werden bei der Differenzlaufzeitermittlung direkt die beiden Meßsignale der Drucksensoren 5, 6 herangezogen. Die Phasenverschiebung, die zwischen dem jeweiligen Ultraschallwandler 3, 4 und dem jeweils zugeordneten Drucksensor 5, 6 auftreten, werden bei der Zeitmessung nicht berücksichtigt.
Eine beispielhafte Schallaufzeitermittlung mit der Anordnung gemäß 1 oder 2 geht aus 3 hervor. T₀ kennzeichnet den Startpunkt, an welchem der Oszillator 7 (O_S) den ersten Pulsgenerator 8 startet und mittels des ersten Ultraschallwandlers 3 ein Schallburstsignal erzeugt, welches mit dem ersten Drucksensor 5 (S1) detektiert wird. Ein Wellenzug im Schallburstsignal ist mit Bezugsziffer 11 versehen. Nach dem Anschwingverhalten n·f_g1 (g1 bezeichnet den ersten Pulsgenerator 8) wird die Zeit zwischen einem Referenzsignal und dem ersten digitalisierten Empfangssignal E1 ermittelt (T_g1s1). n ist eine beliebige ganze Zahl an Wellenzügen bis zum eingeschwungenen Zustand. Nach weiteren m Schwingungen von Os wird die Zeit zwischen dem Referenzsignal und dem digitalisierten Empfangssignal E2 (T_g1s2) am zweiten Drucksensor 6 (S2) gemessen. Die Schallaufzeit t_{Schall 1} ist nun ermittelbar durch die Formel t_{Schall 1} = (T_g1s2 – T_g1s1) + m₁·T_OS T_OS ist die Periodenzeit des Oszillators 7. Die Schallaufzeit t_{Schall 2} ist entsprechend umgekehrt nach der Formel t_Schall
2 = (T_g2s1 – T_g2g2) + m₂·T_OS ermittelbar.
Die Differenzlaufzeit, also der Laufzeitunterschied dt ist ermittelbar durch die Formel dt = ((T_g1s2 – T_g1s1) + nx₁ T_OS – ((T_g2s1 – T_g2s2) + nx₂ T_OS), wobei die Periodenzeit des Oszillators T_OS größer ist als der Laufzeitunterschied dt, da dann m den Wertebereich – 2 < (m₁ – m₂) < 2 nicht überschreitet. Bei m₁ = m₂ beträgt der Laufzeitunterschied dt = T_g1s2 – T_g1s1 – T_g2s1 + T_g2s2. Demnach ist die Zeitmessung von Phasenverschiebungen und dynamischen Zeitverzögerungen der Pulsgeneratoren 8, 9 und der Ultraschallwandler 3, 4 sowie der Zahl m unabhängig.
Wie die 4, 5 und 6 verdeutlichen, kann auch nur ein Drucksensor 5 in Kombination mit einem oder zwei Ultraschallwandlern 3, 4 zur Schallaufzeitermittlung vorgesehen sein. Gemäß 4 erfolgt die Schallaufzeitermittlung zwischen einem Ultraschallwandler 3 sowie einem Drucksensor 5, der an einer Reflexionsfläche 13 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird die Laufzeit vom Ultraschallwandler 3 zum Drucksensor 5 sowie umgekehrt vom Drucksensor 5 zum Ultraschallwandler 3 gemessen und daraus die Differenzlaufzeit ermittelt. Der Drucksensor 5 weist hierfür ein sehr schnelles Anschwingverhalten auf.
In 5 ist ein Drucksensor 5 genau in der Mitte zwischen den beiden Ultraschallwandlern 3, 4 angeordnet. Die Differenzlaufzeit ergibt sich dabei aus der Schallaufzeit zwischen dem Drucksensor 5 und dem Ultraschallwandler 4 sowie zwischen dem Drucksensor 5 und dem Ultraschallwandler 3. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, daß der Drucksensor 5 in einem anderen definierten Abstand zu den beiden Ultraschallwandlern 3, 4 angeordnet ist. Mittels der Kenntnis der Abstände vom Drucksensor 5 zu den jeweiligen Ultraschallwandlern 3, 4 ist dann ebenfalls die Differenzlaufzeit ermittelbar. Gemäß der Anordnung in den 4 und 5 sind die Drucksensoren 5, 6 im Bereich einer Reflexionsfläche 13 angeordnet. In den 2 und 6 sind die Drucksensoren an einem Ultraschallreflektor 12 angeordnet.
Die Drucksensoren 5, 6 sind insbesondere in der Anordnung gemäß 1 zumindest teilweise schalldurchlässig, damit sich die von den Ultraschallwandlern 3, 4 ausgesendeten Ultraschallsignale 2 ungehindert ausbreiten können. Dazu entsprechen die Außenabmessungen der Drucksensoren höchstens der dreifachen Wellenlänge des Ultraschallsignals 2.
Die Drucksensoren 5, 6 sind in den 1 und 2 im Strömungsbereich des zu messenden Mediums angeordnet, so daß Schalllaufstrecken senkrecht zur Strömung (siehe 2) oder Schalllaufstrecken ohne gerichtete Strömung (z.B. Nischen mit Wirbelbildung) das Schalllaufverhalten des zur Messung herangezogenen Schalls nicht beeinflussen. Ferner kann zwischen dem Ultraschallwandler 3, 4 und dem dem Ultraschallwandler 3, 4 zugeordneten Drucksensor 5, 6 sich ein Schallleitkörper befinden, der den Ultraschall ohne Behinderung weiterleitet.
Die in 6 dargestellte Wirbelmeßkammer 14 beinhaltet einen Ultraschallwandler 3, der als piezokeramisches Bauteil ausgebildet ist und beidseitig Ultraschallsignale 2 aussendet. Alternativ hierzu können auch zwei Ultraschallwandler 3, 4 zusammengefasst sein, welche jeweils nach einer Richtung die Ultraschallsignale 2 aussenden. Der Drucksensor 5 nimmt dabei die ausgesendeten Ultraschallsignale 2 auf, während die die Schallwegstrecke durchlaufenen Ultraschallsignale von dem Ultraschallwandler 3 und/oder 4 aufgenommen werden.
Mittels des Oszillators 7 kann auch eine zweite Oszillatorfrequenz erzeugbar sein. Damit ist die Anzahl der Schwingungen m ermittelbar und man erhält die jeweils genaue Laufzeit t_{Schall 1} bzw. t_{Schall 2}.
Die Drucksensoren 5, 6 können als Differenzdrucksensoren oder als Ultraschall-Mikrophone ausgebildet sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante können die Drucksensoren 5, 6 als Verbund im Ultraschallwandler 3, 4 integriert sein und somit als ein Bauteil in den Durchflußmesser eingesetzt werden, was die Montage erheblich erleichtert.

1: Sende/Empfangseinheit
2: Ultraschallsignale
3: Erster Ultraschallwandler
4: Zweiter Ultraschallwandler
5: Erster Drucksensor
6: Zweiter Drucksensor
7: Oszillator
8: Erster Pulsgenerator
9: Zweiter Pulsgenerator
10: A/D-Wandler
11: Wellenzug
12: Ultraschall-Reflektor
13: Reflexionsfläche
14: Wirbelmeßkammer

Claims

Durchflußmesser für flüssige Medien mit einer Meßkammer, in der mindestens eine Sende-/Empfangseinheit (1) zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallsignalen (2), die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, angeordnet ist, wobei die Sende-/Empfangseinheit (1) mindestens einen Ultraschallwandler (3, 4) zur Schallerzeugung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Schall-Drucksensor (5; 6) vorgesehen ist, der Schall-Drucksensor (5; 6) innerhalb der Schallwegstrecke L des Ultraschallwandlers (3; 4) positioniert ist, mit dem Schall-Drucksensor (5; 6) ausschließlich schallwellenabhängige Meßsignale erzeugbar sind und nur letztere zur Schalllaufzeitermittlung herangezogen werden, wobei der Schall-Drucksensor (5; 6) einen definierten Startpunkt für die Schalllaufzeitermittlung bildet.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Schallaufzeit die Temperatur, Dichte oder Viskosität des zu messenden Mediums bestimmbar ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeitermittlung über einen ersten Drucksensor (5) und einen zweiten Drucksensor (6) erfolgt.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (3) und ein zweiter Ultraschallwandler (4) vorgesehen sind, die eine Schallwegstrecke L festlegen, und sich innerhalb der Schallwegstrecke L, ebenfalls in festgelegtem Abstand M zueinander, der erste (5) und der zweite Drucksensor (6) befinden.
Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drucksensor (5) dem ersten Ultraschallwandler (3) und der zweite Drucksensor (6) dem zweiten Ultraschallwandler (4) zugeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeitermittlung zwischen mindestens einem Ultraschallwandler (3, 4) und einem Drucksensor (5, 6) erfolgt.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5, 6) in definiertem Abstand zu den beiden Ultraschallwandlern (3, 4) angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5, 6) an einem Ultraschallreflektor (12) angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5, 6) im Bereich einer Reflexionsfläche (13) angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (5, 6) zumindest teilweise schalldurchlässig sind.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenabmessungen der Drucksensoren (5, 6) höchstens der dreifachen Wellenlänge des Ultraschallsignals (2) entsprechen.
Druchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (5, 6) im Strömungsbereich des zu messenden Mediums angeordnet sind.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Ultraschallwandler (3, 4) und dem dem Ultraschallwandler (3, 4) zugeordneten Drucksensor (5, 6) ein Schalleitkörper befindet.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5, 6) ein sehr schnelles Anschwingverhalten aufweist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (3, 4) als piezokeramisches Bauteil ausgebildet ist, welches beidseitig Ultraschallsignale (2) aussendet.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeit T_{Schall 1} mit der Strömungsrichtung und die Schallaufzeit t_{Schall 2} entgegen der Strömungsrichtung ermittelbar sind und anhand der Laufzeiten der Laufzeitunterschied dt = tSchall 1 – tSchall 2 ermittelbar ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (3, 4) mit einem Oszillator (7) zur Erzeugung einer Oszillatorfrequenz über mindestens einen Pulsgenerator (8, 9) in Verbindung stehen.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Anschwingverhalten eines Wellenzugs (11) ausgehend vom ersten Ultraschallwandlers (3) die Schallaufzeit t_{Schall 1} durch die Formel tSchall 1 = (Tg1s2 – Tg1s1) + m1·TOS ermittelbar ist, wobei T_g1s2 der Zeitpunkt des digitalisierten Empfangssignals am zweiten Drucksensor (6), T_g1s1 der Zeitpunkt des digitalisierten Empfangssignals am ersten Drucksensor (5) ist, m₁ der Anzahl der Schwingungen zwischen erstem und zweitem Drucksensor entspricht und T_OS die Periodenzeit des Oszillators (7) ist, und die Schallaufzeit t_{Schall 2} entsprechend umgekehrt ermittelbar ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufzeitunterschied dt ermittelbar ist durch die Formel dt = ((Tg1s2 – Tg1s1) + m1·TOS – ((Tg2s1 – Tg2s2) + m2·TOS), wobei die Periodenzeit des Oszillators T_OS größer ist als der Laufzeitunterschied dt und bei m₁ = m₂ der Laufzeitunterschied dt = Tg1s2 – Tg1s1 – Tg2s1 + Tg2s2 beträgt.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zweite Oszillatorfrequenz erzeugbar ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Drucksensoren (5, 6) ein Differenzdrucksensor ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Drucksensoren (5, 6) als Ultraschall-Mikrophon ausgebildet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Drucksensoren (5, 6) als Verbund in dem jeweiligen Ultraschallwandler (3, 4) integriert ist.