MEASURING HEAD FOR THE DETERMINATION OF THE AMOUNT OF A FLOWING FLUID

Abstract: 1. A measuring sensor for an arrangement for determining the amount of the fluid flowing through a pipe system, by means of the transit time difference of ultrasonic pulses in and opposite to the direction of flow, comprising two ultrasonic transducers (2, 3) which are arranged at oppositely disposed ends of a measuring pipe portion (1) of the pipe system and which can be respectively operated as a transmitter and as a receiver and which in the transmitting mode induce in the measuring pipe portion modes of oscillation which respectively include a spatial fundamental wave (6) with a substantially even profile over the cross-section of the measuring pipe portion, and spatial harmonics (7, 8) in relation to said fundamental waves, and which in the receiving mode generate and output signal (U2 ) corresponding to the respectively received mode of oscillation, characterised in that, in the case involving the production of modes of oscillation with a harmonics component which is respectively smaller or larger in comparison with the fundamental wave component, the two ultrasonic transducers (2, 3) are arranged at such a spacing from each other that the phase angle (gamma) between the ultrasonic oscillations of the receiving mode of oscillation and the harmonics component relative to that mode of oscillation, with the fluid still, is approximately 90 degrees or 0 degree respectively.

Description: Messwertgeber zur Bestimmung der Durchftussmenge einer strömenden Flüssigkeit Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwertgeber zur Bestimmung der Durchflussmenge einer in einem Messrohr eines Rohrsystems strömenden Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Zur Bestimmung der Durchflussmenge einer Flüssigkeit durch ein Rohrsystem ist es bekannt (DE-AS 29 24 561), Ultraschallwel lenzüge von zwei Seiten gleichzeitig stromabwärts und stromaufwärts durch die im Messrohr strömende Flüssigkeit zu senden und zu empfangen, um aus der Laufzeitdifferenz auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und damit auf die Durchflussmenge schliessen zu können. Das Messverfahren ist unabhängig vom Strömungsprofil der strömenden Flüssigkeit, wenn das Messrohr als Wellenleiter verwendet wird und. von den Schallwandlern ausschliesslich die ebene Grundwelle im Messrohr angeregt wird. Ein einzelner Wetlentyp kann nur von einer Schaliquel-le angeregt werden, die eine dem Zellentyp entsprechende Potentialverteilung erzeugt. Eine solche Schallquelle stellt der Kotbenschwin- ger dar, welcher aber im Frequenzbereich des Ultraschalls schwer zu verwirklichen ist. Normalerweise erzeugt eine Schallquelle eine Mischwelle, d.h. eine Kombination verschiedener räumlicher Wellentypen, von denen jede Welle eine eigene, strömungsabhängige Phasengeschwindigkeit aufweist. Die Oberwellen einer solchen Mischwelle können vor allem im Bereiche laminarer Strömungen erhebliche Messfehler verursachen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Strömungsprofile der strömenden Flüssigkeit so zu beeinflussen, dass der Messfehler vernachlässigbar wird. Zu diesem Zwecke sind die Enden des Messrohres mit Oeffnungen oder Schlitzen oder aussenseitig mit Zapfen versehen. Die Beeinflussung der Strömungsprofile kann auch mit Hilfe eines durch eine Speiche oder durch eine Trennwand gebildeten Steges im Messrohr erfolgen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss der Oberwellen auf die Messgenauigkeit zurückzudämmen oder auszuschalten, ohne die Druckverluste und die Störanfällig keit grundsätzlich zu erhöhen. Die gestellte Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Messwertgebers wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Messwert gebers und Fig. 2 ein Zeigerdiagramm des Empfangssignals und der Oberwelien- und Grundwellenbe-j- träge bei ruhendem und bei bewegtem Strö mungsmittel. Ein Messrohr eines nicht gezeigten Rohrsystems eines Messwertgebers zur Messung der Durchflussmenge einer Flüssigkeit ist in der Fig. 1 mit 1 bezeichnet. An den Stirnseiten des Messrohres 1 sind in einem Abstand b zwei dem Messrohr vorgelagerte Ultraschallwandler 2, 3 angeordnet, die als Sender und Empfänger von Ultraschallsignalen U1 und U2 arbeiten. Die Strömungsflüssigkeit wird stirnseitig oder seitlich dem Messrohr 1 zuund abgeführt. Der Messbereich umfasst laminare Strömung 4 und turbulente Strömung 5. Mit r ist die Durchmesserkoordinate des Messrohres 1, mit v die Teilchengeschwindigkeit der Flüs sigkeit und mit w die Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet. Die Ultraschallwandler 2 und 3 regen im Messrohr 1 neben der ebenen Grundwelle 6 auch Oberwellen an, von denen die erste Oberwelle 7 und die zweite Oberwelle 8 gezeigt sind. Das Zeigerdiagramm in der Fig. 2 zeigt mit voll ausgezogenen Zeigern die Verhältnisse im Messwertgeber bei ruhender, d.h. nicht strömender Flüssigkeit. Das Empfangssignal U2 setzt sich aus einem Grundwellenbeitrag G und aus einem Oberwellenbeitrag O zusammen, die zueinander in der Phase verschoben sind. Der Phasenwinkel Y zwischen dem Zeiger des Empfangssignals U2 und dem Zeiger des Oberwellenbeitrages 0 ist eine Funktion des Abstandes b der beiden Ultraschallwandler 2, 3. Die Verhältnisse bei einer Schallausbreitung, die gegen die Stromdurchflussrichtung verläuft, mit dem Empfangssignal U'2, dem Grundwellenbeitrag G' und dem Oberwellenbeitrag 0' sind in der Fig. 2 punktiert gezeigt, während die Verhältnisse bei der in der Durchflussrichtung verLaufenden Schallausbreitung mit den Grössen u''2, G" und 0" gestrichelt eingezeichnet sind. Bei strömender Flüssigkeit treten wegen der unterschiedlichen Signallaufzeiten stromabwärts und stromaufwärts bei den genannten Grössen Phasenunterschiede auf. Der Winkel e zwischen den Zeigern der Grundwellenbeiträge G' und G" ist proportional zu der mittleren Geschwindigkeit w der strömenden Flüssigkeit und somit vom Strömungsprofil unabhängig. Dagegen ist der Winkel 6 zwischen den Zeigern der Oberwellenbeiträge 0' und 0" von der maximalen Strömungsgeschwindigkeit w marx und somit vom Strömungsprofil abhängig. Bei der Messung wird der Winkel E ' der Empfangssignale U'2 und U"2 2 ermittelt. Dieser Winkel e' und somit auch das Messergebnis wird vom Strömungsprofil dann unabhängig, wenn der Abstand b so gewählt wird, dass der Phasenwinkel Y bei ruhender Strömungsflüssigkeit annähernd 900 beträgt. Bei kleiner, laminarer Strömung ist dann 6 (wmax) ohne Einfluss auf C bei grosser, turbulenter Strömung ist Wmax wenig verschieden von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit w; folglich ist auch der Winkel 6 (wmax) wenig verschieden von e (w), d.h. von max dem Winkel der Grundwellenbeiträge G', G". Diese Ueberlegungen gelten, solange der Grundwellenbeitrag G den Oberwellenbeitrag 0 übersteigt (G > O). Ist der Oberwellenbeitrag 0 grösser als der Grundwellenbeitrag (G < O), so wird der Abstand b derart gewählt, dass der Phasenwinkel y annä 0 hernd 0 beträgt. In diesem Falle, d.h. bei O > G, ist die Mes- sung zwar mit einem im Vergleich zum erstgenannten Fall grösseren Fehler behaftet, dieser Fehler ist aber bei r-= 0o minimal. Der Oberwellenbeitrag O lässt sich klein halten, wenn die Ultraschallwandler 2, 3 mit mindestens je einer Teilelektrode 10 versehen sind, so dass sie ein Einzelresonanzverhalten mit annähernd glockenförmiger Schwingungsform aufweisen, und/oder, wenn das Messrohr 1 dünnwandig und/oder schallabsorbierend verkleidet und/oder ausgekleidet ist. Durch die beschriebene Wahl des Abstandes b zwischen den beiden Ultraschallwandlern 2, 3 lässt sich der Einfluss der Oberwellen beim Betrieb des Messwertgebers zurückdämmen oder sogar ausschalten und somit der Messfehler herabsetzen, wobei weder Druckverluste im System auftreten noch die Störungsanfälligkeit erhöht wird.

Claims: PATENTANSPRUECHE 1. Messwertgeber zur Bestimmung der Durchflussmenge einer in einem Messrohr eines Rohrsystems strömenden Flüssigkeit durch Messung der Laufzeitdifferenz von durch das Messrohr mit Hilfe von -stirnseitig zum Messrohr liegenden Ultraschallwandlern stromaufwärts und stromabwärts gesandten und empfangenen Ultraschallsignalen, die aus Beiträgen ebener Grundwellen und der Oberwellen zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (2, 3) in einem solchen Abstand (b) zueinander angeordnet sind, dass bei ruhender Strömungsflüssigkeit der Phasenwinkel (y) zwischen dem Oberwellenbeitrag (O) und dem Empfangssignal (U2) bei einem Oberwellenbeitrag (0), der kleiner ist als der Grundwellenbeitrag (G), annähernd 900 und bei einem Oberwellenbeitrag (0), der grösser ist als der Grund 0 wellenbeitrag (G), annähernd 0 beträgt. 2. Messwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (2, 3) mit Teilelektroden (10) versehen sind, so dass sie ein Einzelresonanzverhalten mit annähernd glockenförmiger Schw i ngungsform aufweisen. 3. Messwertgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) dünnwandig ist. 4. Messwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) schallabsorbierend verkleidet und/oder ausgekleidet ist.

Inventors: LECHNER, HUBERT, MEISSER, CLAUDIO, STEINLE, BENEDIKT
Applicants: LGZ LANDIS & GYR ZUG AG
Application year: 1982
Main classification: G01F1
IPC codes: G01F1