DE102013105407A1

DE102013105407A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums

Info

Publication number: DE102013105407A1
Application number: DE102013105407.2A
Authority: DE
Inventors: Sascha Grunwald; Achim Wiest; Oliver Brumberg
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2014-11-27
Also published as: WO2014191136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums (3) mit zumindest zwei Ultraschallsensoren (101, 102), mehreren Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (4). Die Ultraschallsensoren (101, 102) senden und empfangen abwechselnd Ultraschall-Messsignale entlang eines definierten Messpfades (SP). Die Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) sind so in dem Messpfad (SP) angeordnet, dass sie die Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad (SP) umleiten, wodurch der Messpfad (SP) in mehrere Teilmesspfade (TSP) untergliedert wird. Zumindest eine der Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) ist so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass die Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem der Teilmesspfade (TSP3, TSP4) des Messpfades (SP), dem rückreflektierenden Teilmesspfad (TSP3, TSP4), eine Reflektion erfahren, die entgegengesetzt zur aktuellen Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad ist (SP). Die Regel-/Auswerteeinheit (4) bestimmt den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums (3) in der Rohrleitung (2) / in dem Messrohr (2) anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale, die den Messpfad (SP) in Strömungsrichtung (z) und entgegen der Strömungsrichtung (–z) durchlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums durch ein Messrohr bzw. durch eine Rohrleitung.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Automatisierungstechnik zur Detektion des Volumen- oder den Massedurchflusses eines Mediums durch ein Messrohr oder durch eine Rohrleitung eingesetzt. Bei dem Medium kann es sich um ein gasförmiges, dampfförmiges oder um ein flüssiges Medium handeln.
Wesentliche Komponenten eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts sind elektromechanische Wandler oder Ultraschallsensoren, die elektrische Signale in Ultraschall-Messsignale und Ultraschall-Messsignale in elektrische Signale umwandeln. Durch Anlegen eines elektrischen Anregungssignals wird der elektromechanische Wandler in Schwingungen versetzt und strahlt über ein Einkoppelelement ein Ultraschall-Messsignal mit einer definierten Signalform unter einem definierten Einstrahlwinkel in die Rohrleitung bzw. in das Messrohr ein. Das Empfangen des Ultraschall-Messsignals erfolgt in umgekehrter Art und Weise.
Im Hinblick auf die Montagemöglichkeiten gibt es zwei Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten: Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräte, die üblicherweise über Flansche in die Rohrleitung montiert werden, und Clamp-On-Durchflussmessgeräte, die von außen auf der Rohrleitung aufgebracht werden und den Volumen- bzw. Massedurchfluss durch die Rohrwand hindurch – also nicht-invasiv – messen. Clamp-On-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 , DE 43 35 369 C1 , DE 298 03 911 U1 , DE 4336370 C1 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
Hinsichtlich der Messmethoden lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden: Durchflussmessgeräte, die den Durchfluss über die Laufzeitdifferenz von Ultraschall-Messsignalen in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung bestimmen, und Durchflussmessgeräte, die die Durchfluss-Information aus der Dopplerverschiebung der Ultraschall-Messsignale gewinnen. Im Falle von Ultraschall-Messgeräten, die nach der Laufzeitdifferenzmethode arbeiten, werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel bevorzugt über ein Koppelelement in die Rohrleitung bzw. in das Messrohr, in der/in dem das Medium strömt, eingestrahlt bzw. aus der Rohrleitung/aus dem Messrohr ausgestrahlt. Hierbei sind die Ultraschallsensoren üblicherweise so angeordnet, dass der durchlaufene Messpfad durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt ist. Der ermittelte Durchflussmesswert spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr wider.
Das Strömungsprofil in einem Messrohr ist üblicherweise ungleichmäßig über den Radius verteilt. An der Rohrwand ist die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Reibung zwischen Medium und Rohrwand Null, während sie im mittleren Bereich des Rohres maximal ist. Bei niedrigen Reynoldszahlen im laminaren Bereich ist die Einpfadmessung durch die Rohrmitte sehr kritisch. Je nach Reynoldszahl muss der gemessene Wert mit 0.75...0.98 multipliziert werden, damit sie der mittleren Geschwindigkeit über den Querschnitt des Rohres entspricht.
Eine recht gute Näherung erhält man bereits, wenn der Messpfad – projiziert auf eine Querschnittsfläche des Rohres – bei ca. 0.52 des Radius‘ des Rohres liegt. In diesem Fall liefert der entsprechende Messpfad einen Messwert für die Strömungsgeschwindigkeit, der nahezu identisch ist mit dem mittleren über die Querschnittsfläche des Rohres gemittelten Messwert. Darüber hinaus ist es mit dieser Anordnung möglich, einen weiten Reynoldszahlbereich abzudecken.
Um rotationssymmetrische Strömungen zu kompensieren, ist es vorteilhaft, wenn ein zweiter Messpfad bei –0.52 des Radius des Rohres verwendet wird. Bei einer entsprechenden Lösung redet man von einem Zweipfad- bzw. Zweispur-Ultraschallmessgerät.
Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Durchflussmessungen in Rohrleitungen mit großen Nennweiten, ist die zuvor beschriebene Mittelung zu ungenau. Alternativ ist es daher bekannt geworden, mehrere Paare von Ultraschallsensoren vorzusehen, deren Messpfade in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und die über den Umfang verteilt an dem Messrohr bzw. an der Rohrleitung angeordnet sind. Bei dieser Anordnung steht Durchflussinformation aus unterschiedlichen Ebenen bzw. Segmenten des Messrohres bzw. der Rohrleitung zur Verfügung. Ein Vorteil der Mehrpfadmessung ist darin zu sehen, dass sie Information über das jeweilige Strömungsprofil des Mediums bereitstellt, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit wird darüber hinaus dadurch erreicht, dass die Durchflussinformation aus den unterschiedlichen Messpfaden verschieden gewichtet wird. Zur Gewichtung der Messpfade gibt es unterschiedliche Ansätze. So beschreibt der Artikel "Comparsion of Integration Methods for Multipath Accoustic Discharge Measurements" von T. Tresch, T. Staubli und P. Gruber in der Begleitschrift zur 6th International Conference on Innovation in Hydraulic Efficiency Measurements, 30 Juli – 1. August 2006 in Portland, Oregon, USA gängige Methoden zur Gewichtung der Laufzeiten entlang unterschiedlicher Messpfade zwecks optimierter Berechnung des Durchflusses.
Entsprechende Lösungen sind aus folgenden Patentdokumenten bekannt: DE 198 61 073 A1 , DE 297 197 30 U1 , US 7,845,240 B1 , EP 0 715 155 A1 , EP 2 282 178 A1 und WO 02044662 A1 .
Der Nachteil bei den bekannten Lösungen ist darin zu sehen, dass die Berechnungen zur Ermittlung des korrekten Durchflusses relativ aufwändig sind. Darüber hinaus ist eine genaue Berechnung des Durchflusses nur möglich, wenn die Viskosität des Mediums bekannt ist – und wenn sie sich nachfolgend während der Durchflussmessung nicht ändert.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung ist darin zu sehen, dass die Ultraschallsensoren selbst die Ausgestaltung des Strömungsprofils beeinflussen. Durch diese Beeinflussung weicht der tatsächliche Durchfluss in dem Rohr in vielen Fällen von den theoretisch ermittelten Werten ab. Im Prinzip liefern die theoretischen Werte daher eher eine Orientierung, als dass sie sich in der Realität durch eine reproduzierbare Zuverlässigkeit auszeichnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallmessgerät mit mehreren Messpfaden vorzuschlagen, das sich durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums, das ein Messrohr oder eine Rohrleitung mit einem vorgegebenen Durchmesser im Wesentlichen in einer zur Längsachse des Messrohrs bzw. der Rohrleitung parallelen Strömungsrichtung durchströmt, mit zumindest zwei Ultraschallsensoren, mehreren Reflektorflächen und mit einer Regel-/Auswerteeinheit,
wobei die Ultraschallsensoren abwechselnd Ultraschall-Messsignale aussenden und/oder empfangen, wobei sich die Ultraschall-Messsignale entlang eines definierten Messpfades entsprechend ihrer aktuellen Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausbreiten, wobei die aktuelle Ausbreitungsrichtung über die Projektion des Messpfades auf die Längsachse definiert ist,
wobei die Reflektorflächen so in dem Messpfad angeordnet sind, dass sie die Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad umleiten, wodurch der Messpfad in mehrere Teilmesspfade untergliedert wird,
wobei zumindest eine der Reflektorflächen so angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass die Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem der
Teilmesspfade des Messpfades, dem rückreflektierenden Teilmesspfad, eine Reflektion erfahren, die entgegengesetzt zur aktuellen Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit den Volumen- und/oder den Massedurch-fluss des Mediums in der Rohrleitung / in dem Messrohr anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale bestimmt, die den Messpfad in Strömungsrichtung und entgegen Strömungsrichtung durchlaufen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird der Einfluss, den das Fehlen der Information über das reale Strömungsprofil auf den Durchflussmesswert hat, geometrisch gelöst und nicht über rechnerische, auf Modellen basierende Lösungen. Da bei der erfindungsgemäßen Lösung stets die aktuellen im Messrohr oder in der Rohrleitung herrschenden physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt werden, lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen. Darüber hinaus werden die Anforderungen an die Steuer-/Auswerteeinheit erheblich reduziert. Weiterhin ist die Lösung kostengünstig, da im einfachsten Fall lediglich zwei Ultraschallsensoren erforderlich sind. Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät dadurch aus, dass es sehr kompakt ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Ultraschallsensoren und die Reflektorflächen so zueinander positioniert sind, dass die Länge – projiziert auf eine Querschnittsfläche des Messrohres bzw. der Rohrleitung – eines jeden Teilmesspfades in der aktuellen Strömungsrichtung kleiner ist als der Innendurchmesser des Messrohrs im Bereich der Reflektorfläche bzw. kleiner ist als der Außendurchmesser der Rohrleitung. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Ultraschallsensoren und die Reflektorflächen so angeordnet sind, dass die Teilmesspfade in der aktuellen Strömungsrichtung – projiziert auf eine Querschnittsfläche des Messrohrs bzw. der Rohrleitung – im Wesentlichen ein symmetrisches Vieleck, insbesondere ein gleichschenkliges Dreieck bilden.
Um die Kosten weiter zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Ultraschallsensoren und die Reflektorflächen so angeordnet sind, dass zumindest eine der Reflektorflächen bei Durchlaufen der Ultraschall-Messsignale entlang des Messpfades in Strömungsrichtung bzw. entgegen der Strömungsrichtung des Mediums zumindest zweifach oder mehrfach genutzt wird.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die zumindest zweifach genutzte Reflektorfläche so angeordnet ist, dass sie die Ultraschall-Messsignale sowohl zumindest einmal auf dem Messpfad in der aktuellen Ausbreitungsrichtung reflektiert, also auch auf dem Messpfad entgegen der aktuellen Ausbreitungsrichtung als rückreflektierenden Teilmesspfad reflektiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass der rückreflektierende Teilmesspfad so dimensioniert ist, dass der Einfluss der Viskosität bzw. der Reynoldszahl des Mediums auf die Linearität der ermittelten Laufzeitdifferenz zur mittleren Durchflussgeschwindigkeit zumindest näherungsweise kompensiert bzw. zumindest verringert wird. Eine Kenntnis der Viskosität des Mediums erübrigt sich damit. Das erfindungsgemäße Mehrpfad-Durchflussmessgerät ist somit unabhängig von der jeweiligen Viskosität des in dem Messrohr oder in der Rohrleitung strömenden Mediums. Bevorzugt ist der rückreflektierende Teilmesspfad so dimensioniert, dass er zumindest ein Drittel der Dimension des Messpfades in Strömungsrichtung ausmacht.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Länge – projiziert auf eine Querschnittsfläche des Messrohres bzw. der Rohrleitung – des rückreflektierenden Teilmesspfads im Wesentlichen dem Durchmesser des Messrohres bzw. der Rohrleitung entspricht.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die beiden Ultraschallsensoren im Wesentlichen auf einer Geraden an der Wandung der Rohrleitung bzw. in der Wandung des Messrohrs angeordnet sind, die parallel zur Längsachse des Messrohrs bzw. der Rohrleitung orientiert ist. Hierbei sind die Ultraschallsensoren so angeordnet, dass die Ultraschall-Messsignale im Wesentlichen senkrecht in das Messrohr bzw. in die Rohrleitung eingestrahlt bzw. aus dem Messrohr bzw. aus der Rohrleitung ausgestrahlt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Befestigung der Ultraschallsensoren einfacher als unter jedem anderen Winkel ausgeführt werden kann. Hierdurch ist es insbesondere auch relativ einfach möglich, das Ultraschall-Durchflussmessgerät als Clamp On Version auszuführen.
Bevorzugt sind die einzelnen Reflektorflächen so angeordnet ist, dass die eingestrahlten Ultraschall-Messsignale und die ausgestrahlten Ultraschall-Messsignale im Wesentlichen den gleichen Winkel mit der Normalen zur Oberfläche der Reflektorfläche bilden.
Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angesehen, wenn ein Teil der Reflektorflächen so ausgestaltet ist, dass die reflektierten Ultraschall-Messsignale fokussiert werden. In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2012 101 098.6 , angemeldet am 10.02.2012, wird ein Ultraschall-Durchflussmessgerät beschrieben, bei dem zumindest eine der Reflektorflächen im Messpfad in oder entgegen der Strömungsrichtung konkav ausgestaltet ist. Aufgrund der konkaven Krümmung der Reflektorflächen wird die Ablenkung bzw. die sog. Verwehung der Ultraschall-Messsignale entlang des jeweils durchlaufenen Messpfades, welche durch die Strömung des Mediums hervorgerufen wird, ausgeglichen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird durch die fokussierende, insbesondere die konkave Ausgestaltung der Reflektorfläche(n) erreicht, dass eine Reflektorfläche zweifach oder mehrfach genutzt wird. Insbesondere ist die zumindest zweifach genutzte Reflektorfläche so ausgestaltet, dass die Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad sowohl in der aktuellen Ausbreitungsrichtung, als auch entgegen der aktuellen Ausbreitungsrichtung – wenn der erfindungswesentliche rückreflektierender Teilmesspfad generiert wird – reflektiert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Geschwindigkeitsprofils eines in einem Rohr turbulent strömenden Mediums,
2: eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Durchflussmessgeräts mit Mehrpfadmessung in perspektivischer Ansicht,
2a: ein Querschnitt durch das in 2 gezeigte Rohr,
3: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts,
4: einen Längsschnitt durch die in 3 gezeigte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts, wobei der Verlauf eines Messpfades – projiziert auf die Längsschnittsfläche des Rohres – gezeigt ist,
4a: einen Querschnitt der in 3 gezeigte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts, wobei der Verlauf des Messpfades – projiziert auf die Querschnittsfläche des Rohres – gezeigt ist, und
5: ein Diagramm, das bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgerät die relative Kompensation des Messfehlers verdeutlicht, der durch den Einfluss der Viskosität η bzw. der Reynoldszahl Re auf das Verhältnis der Laufzeitdifferenz zur mittleren Durchflussgeschwindigkeit v verursacht wird.
Bei bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräten – als Beispiel seien hier Durchflussmessgeräte der Anmelderin genannt, die unter der Bezeichnung PROSONIC FLOW angeboten und vertrieben werden, wird anhand der Laufzeitdifferenz von Ultraschall-Messsignalen auf einem oder mehreren linienförmigen Messpfaden, die durch vorgegebene Teilsegmente eines Rohres 2 verlaufen, eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 in dem Rohr 2 getroffen. Bei dem Rohr 2 handelt es sich im Falle eines Inline-Durchflussmessgeräts um ein Messrohr und bei einem Clamp-On Durchflussmessgerät um eine Rohrleitung. Es wird also die Annahme gemacht, dass die linienförmigen Messpfade repräsentativ für den Durchfluss des Mediums in dem Rohr sind.
Wie aus der in 1 gezeigten Darstellung ersichtlich ist, ist das Strömungsprofil v(y) ungleichmäßig über den Radius r des Rohres 2 verteilt. Das Strömungsprofil v(y) passt zu einem turbulent in z-Richtung strömenden Medium 2.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Messrohrs 2 eines Durchflussmessgeräts mit Mehrpfadmessung. In 2a ist ein Querschnitt durch das in 2 gezeigte Messrohr 2 zu sehen.
Bei der bekannten Mehrpfadmessung sind im gezeigten Fall drei Paare von Ultraschallsensoren A1, A1.1; A2, A2.1; A3, A3.1 an dem Messrohr 2 vorgesehen. Diese sind so angeordnet, dass die Ultraschall-Messsignale sich auf Messpfaden SP ausbreiten, die in zueinander parallelen Ebenen verlaufen. Eingezeichnet ist in 2 der Übersichtlichkeit halber nur der mittlere Messpfad SP2. Bei dieser Anordnung der Ultraschallsensoren A1, A1.1; A2, A2.1; A3, A3.1 steht Durchflussinformation aus unterschiedlichen Ebenen bzw. Segmenten des Messrohres 2 bzw. der Rohrleitung zur Verfügung. Aufgrund Mehrfach-Anordnung kann eine relativ genaue Information über das jeweilige Strömungsprofil des Mediums 3 in dem Messrohr 2 bereitstellt gestellt werden, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit lässt sich darüber hinaus dadurch erreichen, dass die Durchflussinformation aus den unterschiedlichen Messpfade SP verschieden gewichtet wird. Näheres zur Gewichtung der Messpfade SP wurde bereits in der Beschreibungseinleitung gesagt.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Messrohres 2 einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts. In 4 ist ein Längsschnitt durch die in 3 gezeigte Ausgestaltung gezeigt, wobei der Verlauf eines Messpfades SP – projiziert auf die Längsschnittsfläche des Rohres 2 – gezeigt ist. In 4a ist ein Querschnitt der in 3 gezeigte Ausgestaltung zu sehen, wobei der Verlauf des Messpfades SP – projiziert auf die Querschnittsfläche des Rohres 2 – gezeigt ist.
Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät ist ein Mehrpfad-Durchflussmessgerät, besitzt im gezeigten Fall aber nur zwei Ultraschallsensoren 101, 102. Diese liegen auf einer Geraden an der Oberfläche des Messrohres 2. Die Gerade ist parallel zur Längsachse des Messrohrs 2. Weiterhin sind – über den Umfang des Messrohrs 2 verteilt an der Innenfläche des Messrohrs – mehrere Reflektorflächen angeordnet. Diese sind derart positioniert, dass die Ultraschall-Messsignale auf ihrem Messpfad zwischen den beiden Ultraschallsensoren 101, 102 durch unterschiedliche Segmente bzw. Ebenen des Messrohrs 2 geleitet werden. Somit ist der Messpfad SP bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät vergleichbar mit den Messpfaden SP des in 2 gezeigten Durchflussmessgeräts. Die Ultraschallsensoren 101, 102 senden und empfangen abwechselnd Ultraschall-Messsignale, wobei sich die Ultraschall-Messsignale entlang eines definierten Messpfades SP entsprechend ihrer aktuellen Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung z und entgegen zur Strömungsrichtung –z des Mediums 3 ausbreiten. Anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale, die den Messpfad SP in Strömungsrichtung z und entgegen der Strömungsrichtung –z durchlaufen, bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit 4 den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums 3 in dem Messrohr 2. Hierbei ist die aktuelle Ausbreitungsrichtung z, –z über die Projektion des Messpfades SP auf die Längsachse L des Messrohres definiert.
Die Reflektorflächen 111, 112, 113, 114, 115, 116 sind so in dem Messpfad SP angeordnet, dass sie die Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad SP umleiten, wodurch der Messpfad SP in mehrere Teilmesspfade TSPn untergliedert wird. Hierbei ist die Reflektorflächen 111 so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass die Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem der Teilmesspfade TSP des Messpfades (im gezeigten Fall sind es drei Teilmesspfade TSP2, TSP3) eine Reflektion erfahren, die entgegengesetzt zur aktuellen Ausbreitungsrichtung z; –z der Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad SP ist. Die entsprechenden Teilmesspfade TSP2, TSP3 werden jeweils als rückreflektierender Teilmesspfad bezeichnet. In den Figuren 3, 4 und 4a sind zwei Teilmesspfade rückreflecktierend, was insbesondere damit zusammenhängt, dass eine der Reflektorflächen 111 auf einem Messpfad SP zweifach als Reflektor genutzt wird. Die Verwendung von zumindest einem rückreflektierenden Teilmesspfades TSP – hier TSP3 und TSP4 – führt zur Subtraktion des Teilmesspfades und damit zu einer besseren Linearisierung bei unterschiedlichen Strömungsbedingungen. Insbesondere ist der rückreflektierende Teilmesspfad TSP so dimensioniert, dass der Einfluss der Viskosität bzw. der Reynoldszahl des Mediums 3 auf die Linearität der Laufzeitdifferenz zur mittleren Durchflussgeschwindigkeit zumindest näherungsweise kompensiert bzw. zumindest verringert wird.
In vielen Fällen ist die Viskosität η bzw. die Reynoldszahl Re eines durch ein Messrohr 2 oder eine Rohrleitung 2 strömenden Mediums 3 nur ungenau oder überhaupt nicht bekannt. Wird der Einfluss der Viskosität η bzw. der Reynoldszahl Re nicht berücksichtigt, so treten bei einem Einpfadmessgerät, das den Durchfluss über einen durch die Rohrmitte verlaufenden Messpfad bestimmt, insbesondere im laminaren Bereich, Messfehler bis zu 25% auf. Diese hohe Messungenauigkeit ist für exakte Durchflussmessungen natülich inakzeptabel. Behoben wird der Messfehler F(v) bzw. F(Re) aufgrund des Einflusses der Viskosität η bzw. der Reynoldszahl Re heute üblicherweise mittels sog. Mehrpfadmessgeräte, die das in 1 gezeigte Profil über mehrere Messpfade SP relativ exakt bestimmen. Um den Messfehler F(v) zu kompensieren, werden die in den einzelnen Messpfaden SPn ermittelten Durchflussgeschwindigkeiten vn mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren versehen. Die Nachteile der bekannten Mehrpfadmessgeräte wurden bereits an vorhergehender Stelle beschrieben.
5 zeigt ein Diagramm, das bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgerät die relative Kompensation des Messfehlers F(v) verdeutlicht, der durch den Einfluss der Viskosität η bzw. der Reynoldszahl Re auf das Verhältnis der Laufzeitdifferenz zur mittleren Durchflussgeschwindigkeit v verursacht wird. Wie aus der 5 ersichtlich ist, ist der Einfluss der der Viskosität η – bzw. hier der Reynoldszahl Re – oberhalb von Re = 2000 näherungsweise konstant und lässt sich somit auf relativ einfache Art und Weise kompensieren. Anders sieht es aus im Reynoldszahlenbereich kleiner als 1000 und insbesondere im Übergangsbereich von 1000–2000 zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Hier verhält sich der Messfehler F(v) nicht linear und kann bis zu 25% des Messwertes betragen.
Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät ist ebenfalls ein Mehrpfad-Messgerät, allerdings hat es in einer bevorzugten Ausgestaltung nur zwei Ultraschallsensoren 101, 102. Zwischen den beiden Ultraschallsensoren 101, 102 sind mehrere Reflektorflächen 111, 112, 113, 114, 115, 116 so positioniert, dass der Messpfad SP in mehrere Teilmesspfade TSPn unterteilt wird, die im Prinzip die Messpfade eines Mehrpfadmessgeräts nachbilden. Allerdings ist zumindest einer der Teilmesspfade als rückreflektierender Teilmesspfad TSP3, TSP4 ausgestaltet. Der rückreflektierende Teilmesspfad TSP3, TSP4 ist so dimensioniert und angeordnet, dass der Messfehler F(v), der durch den Einfluss der Viskosität η bzw. der Reynoldszahl Re verursacht wird, zumindest näherungsweise eliminiert wird. Wie aus der 5 ersichtlich ist, wird durch den rückreflektierende Teilmesspfad TSP3, TSP4 ein Messfehler –F(v) erzeugt, der im Wesentlichen klappsymmetrisch zu dem Messfehler F(v) ist, der auftritt, wenn der rückreflektierende Teilmesspfad TSP3, TSP4 nicht vorhanden ist. Es genügt im Zusammenhang mit der Erfindung, wenn der rückreflektierende Teilmesspfad TSP3, TSP4 nur einen Bruchteil der Länge des Teilmesspfades TSP1, TSP2, TSP5, TSP6, TSP7, TSP8 in der aktuellen Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad SP beträgt. Die optimale Anordnung und Dimensionierung von Ultraschallsensoren 101, 102 und Reflektorflächen 111, 112, 113, 114, 115, 116, insbesondere im Bereich des rückreflektierenden Teilmesspfades TSP3, TSP4, wird bevorzugt über eine Simulation auf der Basis von CFD-Computational Fluid Dynamics – kombiniert mit der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit über die Laufzeit von Ultraschall-Messsginalen ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0686255 B1 [0004]
US 4484478 [0004]
DE 4335369 C1 [0004]
DE 29803911 U1 [0004]
DE 4336370 C1 [0004]
US 4598593 [0004]
DE 19861073 A1 [0010]
DE 29719730 U1 [0010]
US 7845240 B1 [0010]
EP 0715155 A1 [0010]
EP 2282178 A1 [0010]
WO 02044662 A1 [0010]
DE 102012101098 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

“Comparsion of Integration Methods for Multipath Accoustic Discharge Measurements“ von T. Tresch, T. Staubli und P. Gruber in der Begleitschrift zur 6th International Conference on Innovation in Hydraulic Efficiency Measurements, 30 Juli – 1. August 2006 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums (3), das ein Messrohr (2) oder eine Rohrleitung (2) mit einem vorgegebenen Durchmesser im Wesentlichen in einer zur Längsachse (L) des Messrohrs (2) bzw. der Rohrleitung (2) parallelen Strömungsrichtung (z) durchströmt, mit zumindest zwei Ultraschallsensoren (101, 102), mehreren Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (4), wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) abwechselnd Ultraschall-Messsignale aussenden und/oder empfangen, wobei sich die Ultraschall-Messsignale entlang eines definierten Messpfades (SP) entsprechend ihrer aktuellen Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung (z) und entgegen zur Strömungsrichtung (–z) des Mediums (3) ausbreiten, wobei die aktuelle Ausbreitungsrichtung über die Projektion des Messpfades (SP) auf die Längsachse (L) definiert ist, wobei die Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so in dem Messpfad (SP) angeordnet sind, dass sie die Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad (SP) umleiten, wodurch der Messpfad (SP) in mehrere Teilmesspfade (TSP) untergliedert wird, wobei zumindest eine der Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass die Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem der Teilmesspfade (TSP3, TSP4) des Messpfades (SP), dem rückreflektierenden Teilmesspfad (TSP3, TSP4), eine Reflektion erfahren, die entgegengesetzt zur aktuellen Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale auf dem Messpfad ist (SP), und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (4) den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums (3) in der Rohrleitung (2) / in dem Messrohr (2) anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale bestimmt, die den Messpfad (SP) in Strömungsrichtung (z) und entgegen der Strömungsrichtung (–z) durchlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) und die Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so zueinander positioniert sind, dass die Länge – projiziert auf eine senkrecht zur Längsachse (L) liegende Schnittfläche (QS) des Messrohres (2) bzw. der Rohrleitung – eines jeden Teilmesspfades (TSP) in der aktuellen Strömungsrichtung kleiner ist als der Innendurchmesser (2r) des Messrohrs (2) im Bereich der Reflektorfläche (111, 112, 113, 114, 115, 116) bzw. kleiner ist als der Außendurchmesser der Rohrleitung (2).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) und die Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so angeordnet sind, dass die Teilmesspfade (TSP) in der aktuellen Strömungsrichtung – projiziert auf eine senkrecht zur Längsachse (L) liegende Schnittfläche (QS) des Messrohrs (2) bzw. der Rohrleitung (2) – im Wesentlichen ein symmetrisches Vieleck, insbesondere ein gleichschenkliges Dreieck bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) und die Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so angeordnet sind, dass zumindest eine der Reflektorflächen (111) bei Durchlaufen der Ultraschall-Messsignale entlang des Messpfades (SP) in Strömungsrichtung (z) bzw. entgegen der Strömungsrichtung (–z) des Mediums (3) zumindest zweifach genutzt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zweifach genutzte Reflektorfläche (111) so angeordnet ist, dass sie die Ultraschall-Messsignale sowohl zumindest einmal auf dem Messpfad (SP) in der aktuellen Ausbreitungsrichtung reflektiert, also auch auf dem Messpfad (SP) entgegen der aktuellen Ausbreitungsrichtung als rückreflektierenden Teilmesspfad (TSP3, TSP4) reflektiert.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der rückreflektierende Teilmesspfad (TSP3, TSP4) so dimensioniert ist, dass das Verhältnis von Laufzeitdifferenz zur mittleren Durchflussgeschwindigkeit (v) über verschiedene Viskositäten (η) bzw. Reynoldszahlen (Re) eine höhere Konstanz aufweist und damit konstanter ist als ohne den reflektierenden Teilmesspfad (TSP3, TSP4).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge – projiziert auf eine senkrecht zur Längsachse (L) liegende Schnittfläche (QS) des Messrohres (2) bzw. der Rohrleitung (2) – des rückreflektierenden Teilmesspfads (TSP3, TSP4) im Wesentlichen dem Durchmesser (2r) des Messrohres (2) bzw. der Rohrleitung (2) entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Ultraschallsensoren (101, 102) im Wesentlichen auf einer Geraden an der Wandung der Rohrleitung (2) bzw. in der Wandung des Messrohrs (2) angeordnet sind, die parallel zur Längsachse (L) des Messrohrs (2) bzw. der Rohrleitung (2) orientiert ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so angeordnet ist, dass die eingestrahlten Ultraschall-Messsignale und die ausgestrahlten Ultraschall-Messsignale im Wesentlichen den gleichen Winkel mit der Normalen zur Oberfläche der Reflektorfläche (111, 112, 113, 114, 115, 116) bilden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) so angeordnet sind, dass die Ultraschall-Messsignale im Wesentlichen senkrecht in das Messrohr (2) bzw. in die Rohrleitung (2) eingestrahlt bzw. aus dem Messrohr (2) bzw. aus der Rohrleitung (2) ausgestrahlt werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil der Reflektorflächen (111, 112, 113, 114, 115, 116) so ausgestaltet ist, dass die reflektierten Ultraschall-Messsignale fokussiert werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallsensoren (101, 102) als Clamp On Durchflussmessgerät ausgestaltet sind.