DE10120355A1 - Ultrasonic flow measurement of fluids such as natural gas, has acoustic transceivers that direct divergent beams of sound waves to sections of the pipe shaped to form parabolic reflectors - Google Patents
Ultrasonic flow measurement of fluids such as natural gas, has acoustic transceivers that direct divergent beams of sound waves to sections of the pipe shaped to form parabolic reflectorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Ultraschall-Durchflußmessung von Fluiden in einem Meßrohr, das zwei in Durchflußrichtung beabstandete, jeweils als Sender/Empfänger arbeitende Ultraschall-Wandler auf weist, wobei der Ultraschall von den Wandlern als divergen tes Strahlenbündel ausgesendet, unter Reflexion und Fokus sion entlang eines Schallpfades geführt und von den Wandlern als konvergentes Strahlenbündel empfangen wird.The invention relates to a method and a Vorrich device for ultrasonic flow measurement of fluids in one Measuring tube, the two spaced in the flow direction, each ultrasonic transducers working as transmitters / receivers points, the ultrasound from the transducers as divergene beam of rays emitted, with reflection and focus sion along a sound path and by the transducers is received as a convergent beam.
Die Erfindung ist anwendbar auf die Durchflußmessung sämtlicher Fluide, vorzugsweise allerdings auf die Durch flußmessung von technischen Gasen, wie Druckluft, Stick stoff, Methan, Sauerstoff u. dgl.. Von wesentlicher Bedeu tung ist die Erfindung für die Durchflußmessung von Erdgas, da Erdgas unter den gasförmigen Energieträgern eine Vorrang stellung einnimmt.The invention is applicable to flow measurement all fluids, but preferably on the through flow measurement of technical gases such as compressed air, stick substance, methane, oxygen and. Like .. Of essential importance device is the invention for the flow measurement of natural gas, because natural gas is a priority among gaseous energy sources position.
Bei der Ultraschall-Durchflußmessung werden Signale zwi schen den beiden Wandlern ausgetauscht. Die Signale folgen dem Schallpfad, wobei sich je nach Laufrichtung Laufzeitun terschiede ergeben. Aus diesen Unterschieden wird die Strö mungsgeschwindigkeit des Fluids abgeleitet, aus der sich dann unter Einbeziehung des Meßrohrquerschnitts der Durch fluß ergibt.In the ultrasonic flow measurement signals between exchanged between the two converters. The signals follow the sound path, whereby the running time varies depending on the differences result. From these differences the Strö flow rate derived from the fluid then including the cross section of the measuring tube river results.
Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 195 49 162 A1 bekannt. Der Einsatz von le diglich zwei Wandlern, also die Arbeitsweise mit nur einem Meßkanal, ist konstruktiv und folglich wirtschaftlich gün stiger als die Arbeitsweise mit mehreren Meßkanälen und ei ner entsprechenden Vielzahl von Wandlern, siehe beispiels weise die DE 196 32 165 A1. Bei größeren Volumenströmen, d. h., bei größeren Meßrohrquerschnitten, ergibt sich aller dings der Nachteil, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist und daß die Turbulenzen zu Zeitverzögerungen und Frequenz verschiebungen der Meßsignale führen.Method and device of the type mentioned are known from DE 195 49 162 A1. The use of le only two converters, that is, the way of working with only one Measuring channel, is constructive and therefore economical more than working with multiple measuring channels and egg A corresponding number of converters, see example as the DE 196 32 165 A1. With larger volume flows, d. that is, with larger measuring tube cross sections, all results dings the disadvantage that the flow is turbulent and that the turbulence related to time delays and frequency lead to shifts in the measurement signals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nach teile zu beheben, d. h., die Meßgenauigkeit zu steigern.The invention is based, to this task to fix parts, d. that is, to increase the measurement accuracy.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Ver fahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen des divergenten Strahlenbündels derart reflektiert und fokussiert werden, daß sie über der Länge des Schallpfa des von gleicher Länge sind.To solve this problem is the Ver drive according to the invention characterized in that the Rays of the divergent beam are reflected in this way and be focused over the length of the transducer of the same length.
Letzteres ist bei dem Verfahren nach der bereits erwähn ten DE 195 49 162 A1 nicht der Fall. Das divergente Strah lenbündel wird dort auf eine fokussierende Reflexionsfläche gerichtet und von dieser aus unter Bildung des konvergenten Strahlenbündels dem empfangenden Wandler zugeführt.The latter is already mentioned in the process according to the ten DE 195 49 162 A1 not the case. The divergent beam len bundle is there on a focusing reflection surface directed and from there forming the convergent Beam of rays fed to the receiving transducer.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß unter schiedliche Weglängen der einzelnen Strahlen, ebenso wie Turbulenzen der Strömung, zu einem Verwaschen der Wellen front führen und daher ebenfalls Zeitverzögerungen und Fre quenzverschiebungen hervorrufen. Sind also die Weglängen der einzelnen Strahlen gleich, so ergeben sich, Laminarströmung vorausgesetzt, keine Zeitverzögerungen und Frequenzverschie bungen. Treten diese Erscheinungen dennoch auf, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist.The invention is based on the finding that under different path lengths of the individual rays, as well Turbulence of the current, to wash out the waves front lead and therefore also time delays and Fre cause cross-shifts. So are the path lengths of the the same individual rays result in laminar flow provided no time delays and frequency shift environments. If these phenomena do occur, it is a sign that the flow is turbulent.
Die gleiche Weglänge der einzelnen Strahlen bietet also die Möglichkeit, den Turbulenzgrad der Strömung zu erfassen und die Messung entsprechend zu korrigieren, also die Meßge nauigkeit zu erhöhen.The same path length of the individual rays therefore offers the possibility to measure the degree of turbulence of the flow and to correct the measurement accordingly, i.e. the measurement increase accuracy.
Die Gestaltung des Schallpfades unterliegt keinen Be grenzungen, sofern die Merkmale der Divergenz, der Konver genz und der gleichen Weglängen erfüllt werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Strahlen des divergenten Strahlen bündels in ein paralleles Strahlenbündel und sodann in das konvergente Strahlenbündel umzuwandeln. Dabei kann das pa rallele Strahlenbündel durchaus Umlenkungen erfahren. Vorzu ziehen ist allerdings ein Schallpfad, der zwischen den bei den Wandlern N-förmig verläuft. The design of the sound path is not subject to any boundaries, provided the characteristics of the divergence, the conver and the same path lengths are met. Especially It is advantageous to use the rays of the divergent rays into a parallel beam and then into the convert convergent beams. The pa parallel bundles of rays definitely undergo deflections. Vorzu However, pulling is a sound path between the two the converters are N-shaped.
Ferner ist es aus Gründen der Meßgenauigkeit vorteil haft, eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern zu verhin dern.It is also advantageous for reasons of measurement accuracy to prevent direct radiation between the transducers countries.
Die Erfindung schafft ferner ein Ultraschall-Durchfluß meßgerät mit einem Meßrohr und mit zwei jeweils als Sen der/Empfänger arbeitenden Ultraschall-Wandlern, die in Durchflußrichtung beabstandet im Meßrohr angeordnet sind und gemeinsam mit mindestens einer Reflexionsfläche einen Schallpfad für die Strahlen des Ultraschalls definieren, wo bei diese Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe er findungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wandler gemeinsam mit mindestens zwei funktionalen Reflexionsflächen den Schallpfad derart definieren, daß die Strahlen des Ul traschalls über der Länge des Schallpfades von gleicher Länge sind.The invention also provides an ultrasonic flow measuring device with a measuring tube and with two each as Sen of the / ultrasonic transducers working in Flow direction are spaced in the measuring tube and together with at least one reflection surface Define sound path for the rays of ultrasound where in this device to solve the task he according to the invention is characterized in that the converter together with at least two functional reflection surfaces define the sound path in such a way that the rays of the ul trashalls over the length of the sound path of the same Length are.
Vorzugsweise sind die Reflexionsflächen Paraboloidflä chen, in deren Brennpunkten die Wandler liegen. Die Strahlen des Ultraschalls bilden also, gesehen in Laufrichtung, ein divergentes Strahlenbündel, ein daran anschließendes paral leles Strahlenbündel und schließlich ein auf den empfangen den Wandler gerichtetes konvergentes Strahlenbündel. Die Fo kussierung auf den empfangenen Wandler führt zu einer Ver stärkung des empfangenden Signals, wodurch dessen Störemp findlichkeit vermindert wird.The reflection surfaces are preferably paraboloid surfaces chen, in the focal points of the transducers. The Rays of the ultrasound form, seen in the direction of travel divergent bundle of rays, an adjoining paral leles bundle of rays and finally one on the received convergent beam directed at the transducer. The Fo kissing the received transducer leads to a ver strengthening of the received signal, whereby its Störemp sensitivity is reduced.
Die Führung des parallelen Strahlenbündels kann mehrere Umlenkungen erfahren. Vorteilhafter allerdings ist es, den Schallpfad N-förmig auszubilden.The guidance of the parallel beam can be several Experience redirections. However, it is more advantageous that Form the sound path in an N-shape.
In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge schlagen, die Hälften des Schallpfades spiegelbildlich zu einander auszubilden, und zwar bezogen auf zwei zueinander senkrechte Ebenen, von denen die eine die Achse des Meßroh res enthält. Der Schallpfad liegt dabei in einer einzigen diametralen Ebene des Meßrohres.In an essential further development of the invention, it is provided strike, the halves of the sound path in mirror image train each other, based on two to each other vertical planes, one of which is the axis of the measuring tube res contains. The sound path lies in one diametrical plane of the measuring tube.
Vorzugsweise sind Mittel zum Verhindern einer Direkt strahlung zwischen den Wandlern vorgesehen. Die Wandler kön nen hierzu ganz oder teilweise in Vertiefungen der Wandung des Meßrohres versenkt sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedem Wandler eine aus der Wandung des Meßrohres vorsprin gende Nase zugeordnet sein, wobei deren Kontur vorteilhaf terweise auf minimale Störung der Strömung ausgelegt ist.Preferred are means for preventing direct radiation is provided between the transducers. The converter can all or part of this in recesses in the wall of the measuring tube. Alternatively or in addition each transducer protrudes from the wall of the measuring tube be assigned to the nose, the contour of which is advantageous is designed for minimal flow disturbance.
In der Regel wird man den Querschnitt des Meßrohres kreisförmig wählen. Die Erfindung ist jedoch mit Vorteil auch auf einen rechteckigen Querschnitt anwendbar, dessen Höhe größer als die Breite ist, wobei die Wandler und die Reflexionsflächen in den schmalen Querwänden des Meßrohres angeordnet sind.As a rule, one becomes the cross section of the measuring tube choose circular. However, the invention is advantageous also applicable to a rectangular cross section, the Height is greater than the width, with the transducer and the Reflective surfaces in the narrow transverse walls of the measuring tube are arranged.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, den breiten Seiten wänden des Meßrohres eine Anti-Reflexionsstruktur zu verlei hen. Dies bietet die Möglichkeit, die Breite des Meßkanals so zu vergrößern, daß das Prinzip der Wellenleitung verlas sen werden kann. Die dabei auftretenden Reflexionen an den Seitenwänden des Meßrohres werden unterdrückt. Hierzu kommen streuende und/oder absorbierende Oberflächen in Frage, bei spielsweise eine angepaßte Oberflächenrauhigkeit oder auch eine λ/4-Schicht.It is particularly advantageous to use the broad sides walls of the measuring tube to give an anti-reflection structure hen. This offers the possibility of changing the width of the measuring channel to enlarge so that the principle of waveguide left can be sen. The reflections that occur at the Sidewalls of the measuring tube are suppressed. Come to this scattering and / or absorbent surfaces in question for example, an adapted surface roughness or a λ / 4 layer.
Unabhängig von der Querschnittsform des Meßrohres ist die Erfindung vorgesehen für kleinere Nennweiten im Bereich DN 25-DN 50 mit einem Durchflußmessbereich von ca. 1-200 m3/h und einem Druckbereich von etwa 1-100 bar.Regardless of the cross-sectional shape of the measuring tube, the invention is intended for smaller nominal diameters in the range DN 25-DN 50 with a flow measuring range of approximately 1-200 m 3 / h and a pressure range of approximately 1-100 bar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:The invention is based on a preferred Embodiment in connection with the accompanying Drawing explained in more detail. The drawing shows in:
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Axialschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung; Figure 1 is a schematically illustrated axial section through a device according to the invention.
Fig. 2 eine ebenfalls schematisch dargestellte zugehö rige Stirnansicht. Fig. 2 is a diagrammatically illustrated front view of belonging.
Nach Fig. 1 weist die Vorrichtung ein Meßrohr 1 auf, in dessen Wandung ein erster Ultraschall-Wandler 2 und ein zweiter Ultraschall-Wandler 3 angeordnet sind. Die Wandler 2 und 3 arbeiten als Sender/Empfänger und beschicken sich ge genseitig mit Ultraschallsignalen. Für die weitere Beschreibung sei der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß der Wand ler 2 den Sender und der Wandler 3 den Empfänger bildet.According to Fig. 1, the device comprises a measuring tube 1, are arranged in the wall of which a first ultrasonic transducer 2 and a second ultrasonic converter 3. The transducers 2 and 3 work as transmitters / receivers and feed each other with ultrasonic signals. For the sake of simplicity, it is assumed for the sake of simplicity that the wall 2 forms the transmitter and the converter 3 forms the receiver.
Der Ultraschall verläßt den Wandler 2 in Form eines di vergenten Strahlenbündels 4, wiedergegeben durch einen er sten äußeren Strahl 5, einen zweiten äußeren Strahl 6 und einen mittleren Strahl 7.The ultrasound leaves the transducer 2 in the form of a di-ray beam 4 , reproduced by an outer beam 5 , a second outer beam 6 and a central beam 7 .
Das divergente Strahlenbündel 4 trifft auf eine erste funktionale Reflexionsfläche 8, die als Paraboloidfläche ausgebildet und derart angeordnet ist, daß der Wandler 2 in ihrem Brennpunkt liegt. An der Reflexionsfläche 8 wird das divergente Strahlenbündel umgelenkt und in ein paralleles Strahlenbündel 9 umgewandelt.The divergent beam 4 strikes a first functional reflection surface 8 , which is designed as a paraboloid surface and is arranged such that the transducer 2 is at its focal point. The divergent beam is deflected at the reflection surface 8 and converted into a parallel beam 9 .
Letzteres trifft auf eine zweite funktionale Refefle xionsfläche 10, die das parallele Strahlenbündel 9 in ein konvergentes Strahlenbündel 11 umwandelt und auf den zweiten Wandler 3 fokussiert. Auch die zweite Reflexionsfläche 10 ist als Paraboloidfläche ausgebildet und so angeordnet, daß der zweite Wandler 3 in ihrem Brennpunkt liegt.The latter strikes a second functional reflection surface 10 , which converts the parallel beam 9 into a convergent beam 11 and focuses on the second converter 3 . The second reflection surface 10 is also designed as a paraboloid surface and is arranged such that the second transducer 3 lies in its focal point.
Die Strahlenbündel 4, 9 und 11 definieren einen Schall pfad. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, daß über der Länge dieses Schallpfades die Längen sämtlicher Strahlen, hier exemplarisch wiedergegeben durch die Strahlen 5, 6 und 7, von gleicher Länge sind. Dies besagt, laminare Strömung vorausgesetzt, daß zwischen den Signalen der einzelnen Strahlen keine Zeitverzögerungen und keine Frequenzverschie bungen auftreten. Werden also Zeitverzögerungen und Fre quenzverschiebungen während der Messung erfaßt, so bedeutet dies, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist. Der Turbulenz grad läßt sich ermitteln, und die Meßwerte lassen sich ent sprechend korrigieren. Im Ergebnis erhöht sich die Meßge nauigkeit.The beams 4 , 9 and 11 define a sound path. It is essential that the lengths of all rays, represented here by rays 5 , 6 and 7 , are of equal length over the length of this sound path. This means laminar flow provided that there are no time delays and no frequency shifts between the signals of the individual beams. So if time delays and frequency shifts are detected during the measurement, this means that the flow is subject to turbulence. The degree of turbulence can be determined and the measured values can be corrected accordingly. As a result, the accuracy of measurement increases.
Die schematische Stirnansicht nach Fig. 2 zeigt eben falls den Schallpfad, hier definiert durch zwei äußere Strahlen 13 und den mit der vertikalen Mittelachse zusammen fallenden Strahl 7. The schematic front view according to FIG. 2 also shows the sound path, defined here by two outer beams 13 and the beam 7 coinciding with the vertical central axis.
Der Schaltpfad ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, N-för mig ausgebildet, wobei der mittlere Strahl 7, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in einer diametralen Ebene liegt.The switching path is, as shown in Fig. 1, N-shaped, the central beam 7 , as shown in Fig. 2, lies in a diametrical plane.
Die Anordnung der Wandler 2 und 3 sowie der Reflexions flächen 8 und 10 ist so getroffen, daß die beiden Hälften des Schallpfades spiegelsymmetrisch zueinander liegen, und zwar zum einen bezogen auf eine die Achse des Meßrohres 1 enthaltende, senkrecht zur Zeichenebene liegende Ebene und zum anderen bezogen auf eine senkrecht zu letzterer sowie ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene liegende Ebene.The arrangement of the transducers 2 and 3 and the reflection surfaces 8 and 10 is such that the two halves of the sound path are mirror-symmetrical to each other, on the one hand based on a plane containing the axis of the measuring tube 1 , perpendicular to the plane of the drawing and on the other related to a plane perpendicular to the latter and also perpendicular to the plane of the drawing.
Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß Mittel vorgesehen sind, die eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern 2 und 3 verhindern. Es handelt sich um Nasen 14, die etwas in die Strömung hineinragen, allerdings derart, daß die Strömung nur minimal gestört wird. Eine alternative Möglichkeit be steht darin, die Wandler nicht, wie gezeigt, teilweise, son dern völlig in der Wand des Meßrohres zu versenken.Of FIG. 1 is also clear that means are provided which prevent direct radiation between the transducers 2 and 3. These are lugs 14 which protrude somewhat into the flow, but in such a way that the flow is only minimally disturbed. An alternative possibility is to not, as shown, partially, but completely sink the transducers into the wall of the measuring tube.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög lichkeiten gegeben. So ist die Erfindung nicht auf den Ein satz eines kreisförmigen Meßrohrquerschnitts beschränkt. Vielmehr sind auch rechteckige Querschnitte denkbar, bei de nen die Wandler und Reflexionsflächen in den schmalen Quer wänden angeordnet sind. Die höheren Seitenwände können eine Anti-Reflexionsstruktur aufweisen, so daß die Vermessung größerer Volumenströme möglich ist.Modifications are possible within the scope of the invention given. So the invention is not at one set a circular measuring tube cross section limited. Rather, rectangular cross sections are also conceivable in de the transducers and reflective surfaces in the narrow cross walls are arranged. The higher side walls can be one Have anti-reflection structure, so that the measurement larger volume flows is possible.
Vor allen Dingen besteht eine hohes Maß an Freiheit, was die Gestaltung und Führung des Schallpfades anbelangt. Kei nesfalls ist es erforderlich, daß sich der Schallpfad an ei ner einzigen diametralen Ebene ausrichtet. Vielmehr ist eine beliebige Führung durch das Meßrohr möglich. Dies gilt auch für Abweichungen von der N-Form sowie für Abweichungen von der Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels. Daraus wird ersichtlich, daß auch in der dargestellten paraboloidförmi gen Ausbildung der Reflexionsflächen und der zugeordneten Lage der Wandler keine Beschränkung zu sehen ist, sondern lediglich eine bevorzugte Ausbildung. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die sendenden Wandler divergente Strahlen bündel abgeben und die empfangenden Wandler konvergente Strahlenbündel aufnehmen und daß die Längen der Strahlen über der Länge des Schallpfades gleich sind.Above all, there is a high degree of freedom in what the design and management of the sound path. Kei In any case, it is necessary that the sound path to egg one single diametrical plane. Rather is one any guidance through the measuring tube possible. this is also valid for deviations from the N-shape and for deviations from the generation of a parallel beam. This becomes can be seen that even in the paraboloidi gene formation of the reflection surfaces and the associated Location of the transducer is not seen as a limitation, but just a preferred education. Essential is that the sending transducer has divergent rays emit bundles and the receiving converters converge Pick up rays and that the lengths of the rays are the same over the length of the sound path.
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