DE10057342A1

DE10057342A1 - Ultraschall-Durchflußmeßgerät

Info

Publication number: DE10057342A1
Application number: DE2000157342
Authority: DE
Inventors: Thomas Kettner; Volker Loetz-Dauer
Original assignee: Elster Produktion GmbH
Current assignee: Elster GmbH
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2000-11-18
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Das Meßgerät weist ein Meßrohr (1) auf, das einen im Querschnitt rechteckigen Meßkanal (2) bildet, wobei die Höhe des Meßkanals (2) größer als dessen Breite ist. In der oberen Schmalwand (3) des Meßrohres (1) sind zwei Ultraschall-Wandler (4) angeordnet, deren Schallflächen (5) auf eine gemeinsame, gegenüberliegende Reflexionsfläche (7) ausgerichtet sind. Die Schallflächen (5) tauchen unter Bildung nur geringfügiger Toträume (9) teilweise in den Meßkanal (2) ein. Eine zwischen den Wandlern (4) angeordnet Erhebung (10) verhindert eine störende Direktstrahlung. Die Breitseiten (11) des Meßkanals (2) weisen eine Anti-Reflexionsstruktur auf, so daß der Meßkanal (2) breiter als die 1,7-fache Wellenlänge der Wandler (4) ausgebildet werden kann. Das Meßgerät liefert bei kostengünstiger Ausbildung exakte, reproduzierbare Meßwerte, und zwar für kleine Nennweiten in einem Meßbereich bis weit über 100 m·3·/h hinaus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflußmeßge rät, insbesondere einen Gaszähler, mit einem Meßrohr, das einen im Querschnitt rechteckigen Meßkanal bildet, wobei die Höhe des Meßkanals größer als dessen Breite ist, und mit zwei jeweils als Sender/Empfänger arbeitenden Ultraschall- Wandlern, die in längsgerichtetem Abstand zueinander dem Meßkanal zugeordnet sind und einander mit Ultraschallsigna len beschicken, die entlang eines Schallpfades durch den Meßkanal hindurchlaufen.

Die EP 0 580 099 A2 beschreibt einen Gaszähler der ein gangs genannten Art, der für einen Volumenstrom von etwa 40 l/h bis maximal 6 m³/h ausgelegt ist. Dieser Meßbereich ent spricht dem Durchsatz eines Haushalts-Gaszählers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Meßbereich nach oben hin um ein Vielfaches zu erweitern, und zwar mit geringem Aufwand, in kostengünstiger Weise und unter Erzie lung exakter, reproduzierbarer Meßdaten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Ultraschall-Durchflußmeßgerät erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Wandler beide gemeinsam in einer der Schmalwände des Meßrohres angeordnet und mit ihren Wand lerflächen auf eine gemeinsame Reflexionsfläche ausgerichtet sind, die von der gegenüberliegenden Schmalwand des Meßroh res gebildet wird,
- daß die Breitseiten des Meßkanals eine Anti-Reflexi onsstruktur aufweisen und
- daß Mittel vorgesehen sind, die eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern verhindern.

Mit diesem Durchflußmeßgerät läßt sich bei einem Einsatz als Gaszähler der Meßbereich bis auf über 160 m³/h erwei tern. Allerdings ist die Erfindung nicht auf Gaszähler beschränkt. Für Flüssigkeitszähler gelten entsprechende Werte.

Haupteinsatzbereich allerdings sind Gaszähler, und zwar für Großabnehmer mit einem Bedarf ab ca. 40 m³/h, die vor zugsweise bei einem Druck von ca. 1 bis zu 16 bar versorgt werden. Das Meßgerät wird in Leitungen mit kleinen Nennwei ten von ca. 25 bis 50 mm eingebaut. Hausgasleitungen besit zen in der Regel eine Nennweite von 25 mm und sind damit in der Lage, einen Volumenstrom von bis zu ca. 40 m³/h zu lie fern. Eine Verdopplung der Nennweite bedeutet eine Vervier fachung des Durchflußquerschnitts und damit auch etwa eine Vervierfachung des Volumenstroms bei gleichen Randbedingun gen.

Die Erfindung macht sich die Vorteile eines schmalen, hohen Meßkanals zu Nutze, die darin bestehen, daß ein großer Meßeffekt erzielbar ist und daß praktisch der komplette Strömungsquerschnitt mit einem einzigen Schallpfad von ver gleichsweise großer Länge erfaßt werden kann. Dabei wird mit einer Einfach-Reflexion gearbeitet, bei der der einzige, theoretisch mögliche kürzere Weg der Direktstrahl ist, der jedoch durch die erfindungsgemäßen Mittel verhindert wird. Im Ergebnis liefert also das Durchflußmeßgerät nach der Erfindung in einfacher Weise exakte und reproduzierbare Meß werte.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei dem eingangs genannten bekannten Gaszähler eine wesentliche Auf stockung des Meßbereichs durch Erhöhung der Strömungsge schwindigkeit nicht möglich ist, und zwar aus folgenden Gründen:
Bei seinem maximalen Volumenstrom von 6 m³/h arbeitet der bekannte Gaszähler bereits mit maximaler Strömungsge schwindigkeit, wobei diese begrenzt wird durch den maximal zulässigen Druckverlust. Dieser ist konstruktionsbedingt relativ hoch. Der Zähler arbeitet nach dem Prinzip der Wel lenleitung, wobei der Schallpfad im wesentlichen mit der Achse des Meßkanals zusammenfällt. Die Wandler sitzen einlaß- und auslaßseitig mit Abstand vor den Öffnungen des Meß kanals, so daß entsprechende, den Druckverlust erhöhende Strömungsumlenkungen erforderlich sind, und zwar sowohl ein laß- als auch auslaßseitig.

Eine Vergrößerung des Meßkanal-Querschnitts wäre zwar möglich, jedoch nur in geringem Umfang. Eine Vergrößerung lediglich der Kanalhöhe würde den hydraulischen Durchmesser unzulässig verringern, und zwar mit der Folge eines unzuläs sigen Anstiegs des Druckverlustes. Eine wesentliche Verbrei terung des Meßkanals verbietet sich, da sonst keine Wellen leitung mehr möglich wäre und folglich störende Reflexionen an den Breitseiten des Kanals auftreten würden, die unzu lässig sind. Wellenleitung setzt voraus, daß die Wellenlänge der Wandler ca. um das 1,7-fache größer als die Kanalbreite ist. Eine Verminderung der Frequenz, also eine Erhöhung der Wellenlänge zur Aufrechterhaltung der Wellenleitung bei einer Verbreiterung des Meßkanals würde bald an die zulässige Grenze stoßen, die vorgegeben ist durch den hörbaren Bereich des Schalls.

Erfindungsgemäß wird eine Breite des Meßkanals zugelas sen, die das 1,7-fache der Wellenlänge deutlich übersteigt. Störende Reflexionen an den Breitseiten des Meßkanals können die Meßergebnisse dennoch nicht verfälschen, da sie durch die Anti-Reflexionsstruktur auf ein unschädliches Maß redu ziert werden. Es können also keine Gasarten- und Temperatur abhängigkeiten erzeugt werden, wie sie sonst aus ungewünsch ten Reflexionen resultieren, die mit nur kurzer Verzögerung auf den Schallflächen der Wandler eintreffen und sich mit dem Nutzsignal überlagern.

Die erfindungsgemäß erzielbare Genauigkeit und Reprodu zierbarkeit der Meßergebnisse bei vervielfachtem Meßbereich gehen also auf sehr einfache Maßnahmen zurück, nämlich auf eine Abschirmung der Schallflächen der Wandler gegen Direkt strahlung und eine Verhinderung störender Reflexionen an den Breitseiten des mit Einfachreflexion abgetasteten, rechtec kigen Meßkanals.

Das erfindungsgemäße Durchflußmeßgerät arbeitet, wie bereits erwähnt, mit Einfach-Reflexion, also mit einem V- förmigen Schallpfad. Bekannt ist aus der DE 39 41 546 A1 eine Arbeitsweise mit Dreifach-Reflexion, also mit einem W- förmigen Schallpfad. Der dabei unvermeidbar auftretende V- förmige Schallpfad erzeugt ein Störsignal, das zeitlich vor dem Nutzsignal ankommt und nur unter Einschränkung der Sen designallänge (Burstlänge) zu separieren ist. Im übrigen spielt die größere Weglänge des W-förmigen Schallpfades keine Rolle, da die Laufzeitdifferenz die eigentliche Meß größe darstellt und diese durch den axialen Abstand zwischen den Wandlern bestimmt wird. Allerdings muß bei W-förmigem Schallpfad aufgrund des längeren akustischen Weges eine stärkere Signaldämpfung in Kauf genommen werden. Der beim V- förmigen Schallpfad unvermeidbar auftretende W-förmige Schallpfad erzeugt kein Störsignal, weil nur der Beginn des eintreffenden Nutzsignals ausgewertet wird und das Nutz signal noch nicht ausgeschwungen sein muß, wenn das Signal des W-förmigen Schallpfades eintrifft.

Ein sehr einfaches und wirksames Mittel zum Verhindern einer Direktstrahlung besteht darin, die Wandler in der zu gehörigen Schmalwand des Meßrohres zu versenken. Die Wandler ragen nicht in die Strömung hinein und können diese folglich auch nicht stören. Allerdings bilden sich in den die Wandler aufnehmenden Hohlräumen vor den Schallflächen der Wandler Toträume, die eine unvermeidbare Beeinflussung der Messungen bewirken. Will man diese reduzieren oder ganz vermeiden, so kann es vorteilhaft sein, die Wandler mehr oder weniger in die Strömung hineinragen zu lassen. Unter diesen Umständen schlägt die Erfindung zur Verhinderung einer Direktstrahlung vor, daß die mit den Wandlern versehene Schmalwand des Meß rohres zwischen den Wandlern mindestens eine Erhebung auf weist, deren Höhe an die Eintauchtiefe der Schallflächen der Wandler angepaßt ist. Die Erhebung kann allerdings auch als zusätzlicher Schutz wirken, wenn die Wandler in der zugehörigen Schmalwand des Meßrohres versenkt sind.

Die Erhebung erstreckt sich vorzugsweise mittig zwischen den Wandlern über die Gesamtbreite des Meßkanals, und zwar vorteilhafterweise mit konstanter Kontur, wobei diese auf minimale Störung der Strömung ausgelegt ist.

Die gemeinsame Reflexionsfläche, auf die die Schallflä chen der Ultraschall-Wandler ausgerichtet sind, ist vorzugs weise fokussierend ausgebildet, um die Intensität des Nutz signals zu erhöhen. Es handelt sich um eine ellipsoide Flä che, in deren Brennpunkten die Schallflächen der Wandler an geordnet sind.

Zur Unterbindung der störenden Reflexionen ist es vor teilhaft, die Breitseiten des Meßkanals mit einer streuenden und/oder absorbierenden Oberfläche zu versehen. Hierzu eig net sich besonders eine angepaßte Oberflächenrauhigkeit oder eine λ/4-Schicht.

Die Ultraschallfrequenz der Wandler sollte 40 bis 200 khz, vorzugsweise 100 bis 180 kHz und insbesondere ca. 150 kHz betragen.

Als Verhältnis von Höhe zu Breite des Meßkanals wird ca. 3 : 1 vorgeschlagen, und zwar vorzugsweise bei einer Höhe von ca. 6 cm und einer Breite von ca. 2 cm. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den axialen Abstand zwischen den Wandlern mit ca. 12. cm zu wählen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen achssenkrechten Schnitt durch einen erfin dungsgemäßen Gaszähler, nämlich einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1.

Der Gaszähler nach den Fig. 1 bis 3 ist dazu vorgese hen, in eine Gasleitung eingeschraubt zu werden, wobei er an die Nennweite der Gasleitung angepaßt ist.

Der Gaszähler weist ein Meßrohr 1 auf, welches einen rechteckigen Meßkanal 2 bildet. In die obere Schmalwand 3 des Meßrohres 1 sind zwei Ultraschall-Wandler 4 eingefügt, die als Sender/Empfänger arbeiten. Die von ihren Schallflä chen 5 ausgehenden Nutzsignale durchlaufen den Meßkanal 2 entlang eines V-förmigen Schallpfads 6, wobei die Schallflä chen 5 auf eine gemeinsame Reflexionsfläche 7 ausgerichtet sind, die von der gegenüberliegenden Schmalwand 8 des Meß rohres 1 gebildet wird. Die Reflexionsfläche 7 stellt einen Teil eines Ellipsoids dar, in dessen Brennpunkten die Schallflächen 5 der Wandler 4 sitzen. Dies verstärkt das Nutzsignal.

Aus der Zeitdifferenz der zwischen den Wandlern 4 hin und her laufenden Signale wird die Geschwindigkeit der Gaströmung errechnet. Mit der Geschwindigkeit und dem Strö mungsquerschnitt ergibt sich der Volumenstrom.

Die rechteckige Form des Meßkanals bietet die Möglich keit, den gesamten Meßquerschnitt mit nur einem Wandlerpaar abzutasten. Die Höhe des Rechtecks ermöglicht einen relativ langen Schallpfad.

Hierzu trägt auch bei, daß der Einstrahlungswinkel des Schallpfades 6 relativ flach ist. Dabei tauchen die Wandler flächen 5 zum Teil in den Meßkanal 2 ein, so daß sich ledig lich relativ kleine Toträume 9 bilden.

Das einzige Störsignal, das theoretisch verfrüht auf den Wandlerflächen eintreffen kann, ist der Direktstrahl, der jedoch bei dem Durchflußmeßgerät nach der Erfindung durch eine Erhebung 10 abgeschirmt wird. Das entsprechend unver fälschte Nutzsignal liefert sehr exakte und reproduzierbare Meßwerte. Hierzu trägt auch bei, daß die Störung durch die relativ kleinen Toträume 9 vor den Wandlerflächen 5 vernach lässigbar ist.

Der Meßkanal 2 wird von Breitseiten 11 begrenzt, die ei ne Anti-Reflexionsstruktur aufweisen, im vorliegenden Fall eine angepaßte Oberflächenrauhigkeit. Dadurch werden Störun gen verhindert, die sonst durch Signale erzeugt werden könnten, welche geringfügig später als die Nutzsignale auf den Schallflächen 5 der Wandler 4 eintreffen. Dies bietet die Möglichkeit, die Breite des Meßkanals um mehr als das 1,7- fache größer als diejenige Wellenlänge zu wählen, mit der die Wandler arbeiten. Der Gaszähler kann also trotz erhebli cher Abmaße des Meßkanals mit einer hohen Frequenz arbeiten, die einen deutlichen Abstand zum hörbaren Frequenzbereich einhält. Der dadurch ermöglichte große Querschnitt des Meß kanals gestattet hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit große Volumenströme, ohne daß der Druckabfall ein unzuläs siges Ausmaß annimmt.

Die Erfindung ermöglicht also bei geringem Aufwand und in kostengünstiger Weise sehr exakte Messungen über einem ausgedehnten Meßbereich. Letzterer geht von ca. 1 bis 160 m³/h bei ca. 1 bis 100 bar. Das Meßgerät eignet sich vor allem für Großabnehmer, deren Bedarf zwischen 40 m³/h und 100 m³/h liegt und die mit einem Gasdruck von 5 bis 16 bar versorgt werden. Vornehmlich ist der Gaszähler für kleine Nennweiten vorgesehen, typischerweise zwischen DN 25 und DN 50.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög lichkeiten gegeben. So können die Breitseiten des Meßkanals anstelle einer angepaßten Oberflächenrauhigkeit eine λ/4- Schicht tragen. Die Querschnittform der Erhebung spielt eine untergeordnete Rolle. Wesentlich ist, daß die Strömung so wenig wie möglich gestört wird. Dies ist auch ein Gesichts punkt im Zusammenhang mit dem Ausmaß, um das die Schallflä chen der Wandler und damit deren zugehörige Gehäuse in den Strömungskanal eintauchen lassen. Bei vergleichsweise klei nen Wandlern kann man die gesamten Schallflächen in den Meßkanal eintauchen lassen. Als Alternative können die Wand ler vollständig in der zugehörigen Wand des Meßrohres ver senkt sein. Eine weitere Abwandlungsmöglichkeit besteht darin, auf die ellipsoide Formgebung der gemeinsamen Refle xionsfläche zu verzichten, sofern eine entsprechende Schwä chung des Nutzsignals hingenommen werden kann.

Claims

1. Ultraschall-Durchflußmeßgerät, insbesondere Gaszäh ler, mit einem Meßrohr (1), das einen im Querschnitt recht eckigen Meßkanal (2) bildet, wobei die Höhe des Meßkanals größer als dessen Breite ist, und mit zwei jeweils als Sen der/Empfänger arbeitenden Ultraschall-Wandlern (4), die in längsgerichtetem Abstand zueinander dem Meßkanal (2) zuge ordnet sind und einander mit Ultraschall-Signalen beschic ken, die entlang eines Schallpfades (6) durch den Meßkanal (2) hindurchlaufen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschall-Wandler (4) beide gemeinsam in ei ner (3) der Schmalwände (3, 8) des Meßrohres (1) angeordnet und mit ihren Wandlerflächen (5) auf eine gemeinsame Refle xionsfläche (7) ausgerichtet sind, die von der gegenüberlie genden Schmalwand (8) des Meßrohres (1) gebildet wird,
daß die Breitseiten (11) des Meßkanals (2) eine Anti- Reflexionsstruktur aufweisen und
daß Mittel vorgesehen sind, die eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern (4) verhindern.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (4) in der zugehörigen Schmalwand (3) des Meß rohres (1) Versenkt sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die mit den Wandlern (4) versehene Schmalwand (3) des Meßrohres (1) zwischen den Wandlern (4) mindestens eine Erhebung (10) aufweist.

4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (10) mittig zwischen den Wandlern (4) angeord net ist.

5. Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die Erhebung (10) eine Kontur aufweist, die auf mi nimale Störung der Strömung ausgelegt ist.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (10) eine über der Breite des Meßkanals (2) konstante Kontur aufweist.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Reflexionsfläche (7), auf die die Schallflächen (5) der Ultraschall-Wandler (4) ausge richtet sind, fokussierend ausgebildet ist.

8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten (11) des Meßkanals (2) mit einer streuenden und/oder absorbierenden Oberfläche ver sehen sind.

9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten (11) des Meßkanals (2) eine angepaßte Ober flächenrauhigkeit aufweisen.

10. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten (11) des Meßkanals (2) eine λ/4-Schicht aufweisen.

11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz der Wandler (4) 40 bis 200 kHz, vorzugsweise 100 bis 180 kHz und insbesondere ca. 150 kHz beträgt.

12. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Höhe zu Breite des Meßkanals (2) ca. 3 : 1 beträgt, vorzugsweise bei einer Höhe von ca. 6 cm und einer Breite von ca. 2 cm.

13. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen den Wandlern (4) ca. 12 cm beträgt.