Ultraschall-Durchflußmesser mit kontinuierlicher Nullfluß- Kalibrierung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchflu߬ messer mit einem von einem Medium durchströmbaren Strömungs- kanal und mit zwei Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern , die den Strömungskanal entlang eines vorgegebenen ersten Ultra- schallweges abwechselnd mit einem Ultraschallsignal durch¬ schallen, wobei außer dem Strömungskanal ein Nullfluß-Meßka- nal vorgesehen ist (DE-OS 31 46 477) .

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung, bei dem ein von einem Medium durchströmter Strömungskanal und ein Nullfluß-Meßkanal von Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern durchschallt werden (DE-OS 31 46 477) .

Aus der DE-OS 40 10 148 ist ein Ultraschall-Durchflußmesser bekannt und dort in FIG 10 abgebildet. Das einen Strömungs¬ kanal bildende Meßrohr, das von Gas oder Flüssigkeit durch¬ strömt wird, hat im Bereich der Ultraschall-Durchflußmessung einen rechteckigen Querschnitt. Der zur Durchflußmessung ver- wendete Ultraschall nimmt einen W-förmigen Ultraschallweg mit insgesamt drei Reflexionen des Ultraschalls an den Seitenwän¬ den des Meßrohrs. Zwei Ultraschall-Sende-/Empfangswandler sind an ein und derselben Seitenwand derart schräg ange¬ bracht, daß sich der W-förmige Ultraschallweg ergibt.

Mit dem Ultraschall-Durchflußmesser wird die Laufzeit des Ultraschalls sowohl in Richtung als auch gegen die Richtung der Strömung des Gases bzw. der Flüssigkeit gemessen. Die Differenz beider Schallaufzeiten Tl,T2 ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v, wobei Tl die Schallaufzeit ent¬ gegen der Richtung der Strömung und T2 die Schallaufzeit in

Richtung der Strömung ist :

T1- T2 v -

T1- T2

Die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v ist hierbei schallgeschwindigkeitsunabhängig. Bei ruhender Strömung soll¬ te die Differenz im Zähler verschwinden. In der Praxis aller¬ dings ist das nicht ganz der Fall. Es ergibt sich hier ein von Wandlerexemplar zu Wandlerexemplar unterschiedlicher, von Null verschiedener, als "Nullfluß" bezeichneter Wert. Dadurch wird die Meßgenauigkeit bei geringen Durchflüssen beeinflußt. Der hierdurch bedingte systematische Fehler kann mehrere Pro¬ zent betragen und ändert sich mit Temperatur, Medium und an¬ deren Einflüssen. Deshalb muß dieser Nullflußfehler entweder systematisch behoben, minimiert oder korrigiert werden.

Bisher hat man zur Lösung dieses Problems folgende Maßnahmen ergriffen:

- Weitgehende Erfüllung des Reziprozitätstheorems;

- Paarweise Selektion der Ultraschallwandler nach geeigneten Kriterien;

- Bestückung der Elektronik des Ultraschall-Durchflußmessers mit ausgesuchten und gepaarten Bauteilen; - Messung der Nullflußwerte unter verschiedenen Bedingungen, wie z.B. den Medien und der Temperatur am Herstellort und Korrektur dieser Werte durch Zurückschreiben in ein Regi¬ ster des Durchflußmessers.

Die ersten drei Maßnahmen dienen hauptsächlich der Minimie¬ rung des Nullflusses. Der restlich auftretende Effekt wird mit der letzten Maßnahme auf ein für die Messung erträgliches Maß reduziert.

Die zuletzt genannte Maßnahme ist sehr aufwendig und sollte möglichst vermieden oder minimiert werden. Zudem kann der

Nullfluß nur über sehr wenige Betriebsparameter korrigiert werden. Es bleibt damit eine Unsicherheit hinsichtlich ande¬ rer Betriebsparameter, insbesondere Temperatur, Druck, Alte¬ rung, unterschiedlicher Medien, Verschmutzung, etc.

Weiterhin ist nach gegenwärtigem Kenntnisstand bekannt, daß der Nullfluß durch die beiden folgenden Faktoren verursacht wird:

- Unsymmetrien in der Auswerteelektronik, soweit diese nicht vollständig einpfadig aufgebaut werden kann, - die Reziprozität gilt vollständig nur für lineare Elemen¬ te.

Die an der Übertragung beteiligten Ultraschallwandler sind nichtlineare Elemente, so daß selbst bei optimal reziprokem Abschluß die unterschiedlichen Resteigenschaften der beiden Wandler den Nullfluß verursachen. Der reziproke Abschluß muß in jedem Falle erhalten bleiben, da der Nullflußeffekt sowohl Größenordnungen größer sein kann, als auch viel mehr Einflüs¬ sen unterworfen ist.

Die Resteigenschaften der einzelnen Ultraschallwandler können nach heutigem Stand nicht so bestimmt werden, daß eine exakte Paarselektion für verschwindenden Nullfluß möglich ist.

Außerdem hängt nach bisherigen Erkenntnissen der Nullfluß von der verwendeten Elektronik zur Erzeugung und Auswertung der Ultraschallsignale sowie von den Eigenschaften der Ultra- schallwandler ab, nicht jedoch von den Eigenschaften des Me߬ rohrs, sofern keine parasitären Einflüsse einwirken, wie Kör¬ perschall, Fremdschall oder auch Hochfreguenzeinstreuungen.

Die aus der DE-OS 31 46 477 bekannte Meßanordnung ist relativ aufwendig, wobei vor der Inbetriebnahme aufgrund der Wandler¬ ausstattung ein hoher Kalibrieraufwand zu erwarten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- Durchflußmesser der oben genannten Art dahingehend zu ver¬ bessern, daß auf einfache Weise Nullflußfehler korrigiert werden. Weiterhin soll ein einfaches Verfahren zur Ultra- schall-Durchflußmessung geschaffen werden, bei dem Nullflu߬ fehler korrigiert werden.

Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler den Strömungskanal und den Nullfluß-Meßkanal derart überdecken, daß bei Durch¬ schallung des Strömungskanals mit dem Ultraschallsignal zu¬ gleich der Nullfluß-Meßkanal durchschallt ist.

Diese Lösung ist sehr einfach, wobei der Aufwand für Wandler und deren Kalibrierung gering ist. Die erfindungsgemäße Lö¬ sung ermöglicht eine Nullflußmessung bei jeder Strömungsmes¬ sung ohne Abschaltung der Strömung. Somit kann das Ergebnis der Nullflußmessung sofort in das Ergebnis der Strömungsmes¬ sung eingerechnet werden. Es läßt sich sofort jede Verände- rung der Bedingungen für die Nullflußmessung, d.h. Tempera¬ tur, Medium und Alterung, erfassen und richtig korrigieren. Auch die meisten Nullflußeinflüsse werden mit Hilfe dieser Anordnung erfaßt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht, wenn die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler den Nullfluß-Meßkanal entlang eines derart angepaßten zweiten Ultraschallweges durchschallen, daß der jeweilige Ultraschall-Empfangswandler die beiden Ultraschallsignale nacheinander empfängt. Die bei- den Ultraschallwege sind dazu in ihrer Länge entsprechend be¬ messen. Dies bedeutet, daß die beiden empfangenen Ultra¬ schallsignale deutlich zeitlich voneinander separiert sind und sich demnach die Ultraschall-Laufzeiten in den beiden Ka¬ nälen von der Elektronik unterscheiden und auswerten lassen. Die Elektronik zur Erzeugung, zum Empfang und zur Auswertung der Ultraschallsignale ist mit den Ultraschallwandlern ver¬ bunden.

Eine Nullflußkalibrierung, wie eingangs erwähnt, ist damit nicht mehr notwendig. Die Strömungsgeschwindigkeit v im Strö¬ mungskanal läßt sich um den ermittelten Nullflußwert, z.B. entsprechend der folgenden Gleichung, korrigieren:

_ Tla - T2a - Tlb + T2b

T\a ^■ T2a

Tl: Ultraschall-Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung

T2: Ultraschall-Laufzeit in Strömungsrichtung a: Messung im Strömungskanal b: Messung im Nullfluß-Meßkanal

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter¬ ansprüchen zu entnehmen.

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn der erste Ultraschallweg W-förmig verläuft, und wenn der zweite Ultra¬ schallweg, z.B. mittels Reflexionen, weitgehend direkt und geradlinig verläuft, wobei der erste Weg ggf. länger als der zweite ist. Hiermit wird auf einfache Weise eine ausreichende Separation der empfangenen Ultraschallsignale erreicht.

Für den Gas- oder Flüssigkeitsauεtausch ist es zweckmäßig, wenn der Nullfluß-Meßkanal parallel zum Strömungskanal liegt. Hierdurch ist die Möglichkeit einer weiteren vorteilhaften

Weiterbildung der Erfindung gegeben, bei der der Strömungska¬ nal und der Nullfluß-Meßkanal durch eine gemeinsame Trennwand voneinander getrennt sind, und bei der nur im Bereich der Ul¬ traschallwandler für das Medium eine Durchlässigkeit zwischen dem Strömungskanal und dem Nullfluß-Meßkanal besteht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Nullfluß-Meßkanal dicht, und der Übergang des Mediums zwi¬ schen dem Strömungskanal und dem Nullfluß-Meßkanal erfolgt durch Diffusion.

Ein besonders schneller Austausch des Mediums im Nullfluß- Meßkanal läßt sich erreichen, wenn der Strömungskanal und der Nullfluß-Meßkanal an den Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern voneinander getrennt sind und wenn die beiden Kanäle in einer mit dem Medium gefüllten Box eingeschlossen sind und zudem der Nullfluß-Meßkanal gegenüber der Umgebung stromauf und stromab in Bezug auf die Strömungεrichtung des Mediums im Strömungskanal offen ist. Dies hat den Vorteil, daß bei Ände¬ rung des Mediums ein schneller Austausch erfolgt und der Ul- traschall-Durchflußmesser für die eigentliche Messung sehr schnell einsatzbereit ist. Allerdings ist hier durch entspre¬ chende konstruktive Maßnahmen für einen geringen Durchfluß im Nullfluß-Meßkanal zu sorgen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der Nullfluß-Meßkanal nur an einer Stelle gegenüber der Umge¬ bung offen ist. Dies bietet sich insbesondere für die Messung größerer Strömungsgeschwindigkeiten an, bei denen ein an beiden Enden geöffneter Nullfluß-Meßkanal zu unzulässig hohen Durchflüssen auch im Nullfluß-Meßkanal führen würde.

Diesem Problem könnte aber auch durch eine Ausbildung der Er¬ findung begegnet werden, bei der der Nullfluß-Meßkanal voll¬ ständig gegenüber der Umgebung geschlossen ist und die Trenn- wand zwischen beiden Kanälen zumindest teilweise aus einem porösem Material oder aus einer Membran besteht. Hier erfolgt der Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch lediglich durch Diffusion durch die Trennwand. Als Material für die Trennwand kann hier z.B. PTFE-Folie verwendet werden. Damit kann der Gasaustausch sowohl durch Diffusion bei sehr geringen Durchflüssen als auch durch einen sehr geringen Fluß durch die Membran, bei höheren Flüssen aufgrund der Druckdifferenz, erreicht werden.

Besteht die Trennwand in dem Bereich, der beide Kanäle an den Ultraschallwandlern voneinander trennt, aus einer Membran, so ergibt sich der Vorteil, daß die Körperschalleinkopplung durch die Verwendung des porösen Materials verringert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist im Nullfluß-Meßkanal mindestens zwei Öffnungen derart angeordnet, daß der Null¬ fluß-Meßkanal vom Medium quer zur Ultraschallführung im Null¬ fluß-Meßkanal durchströmt wird. Dies läßt sich durch geeig- nete konstruktive Maßnahmen in der den Ultraschall-Durch- flußmesser umgebenden Gesamtbox erreichen. Der Fluß kann da¬ bei so eingestellt werden, daß einerseits z.B. ein schneller Gasaustausch erfolgt und andrerseits die Nullmessung nicht gestört wird. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die Gasaustauschströmung rechtwinklig zur Durchschallung erfolgt, d.h. die Strömung erzeugt keine strömungsgeschwin¬ digkeitsabhängige Differenz der Laufzeiten.

Die weitere, verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der sendende, den Strömungskanal durch¬ schallende Ultraschall-Sende-/Empfangswandler jeweils zu¬ gleich den Nullfluß-Meßkanal durchschallt, und daß der dann empfangende Ultraschall-Sende-/Empfangswandler die sich in beiden Kanälen ausbreitenden Ultraschallsignale empfängt. Die obengenannten und nachfolgenden Vorteile gelten für das Ver¬ fahren sinngemäß.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß aufgrund unterschiedlich langer Ultraschall- wege im Strömungskanal und im Nullfluß-Meßkanal der jeweils empfangende Ultraschall-Sende-/Empfangswandler die sich darin ausbreitenden Ultraschallsignale nacheinander empfängt.

Mit Vorteil wird in einem der Kanäle das Ultraschallsignal reflektiert, so daß der Ultraschallweg verlängert ist. Da¬ durch sind die beiden Signale separierbar.

Mit Vorteil kann der Nullfluß-Meßkanal mit dem gleichen Me¬ dium wie der Strömungskanal gefüllt sein, wobei das Medium im Nullfluß-Meßkanal praktisch ruht. Die beiden Kanäle können alternativ auch mit unterschiedlichen Medien gefüllt sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 Die parallele Anordnung eines Strömungskanals und ei- nes Nullfluß-Meßkanals mit Überdeckung durch zwei Ul¬ traschall-Wandler, FIG 2 eine von den wahren Verhältnissen abweichende, ledig¬ lich der besseren Anschauung dienende Darstellung beider Kanäle einschließlich der Schallführung, FIG 3 die zeitliche Separation der vom empfangenden Ultra- schall-Sende-/Empfangswandler empfangenen Ultra¬ schallsignale aus dem Nullfluß-Meßkanal und dem Strö¬ mungskanal, FIG 4 eine Trennwand zwischen beiden Kanälen gemäß FIG 1 mit einem Spalt zum Ultraschallwandler,

FIG 5 eine Anordnung mit einer direkt am Ultraschallwandler abschließenden Trennwand mit Öffnungen des Nullfluß- Meßkanals stromaufwärts und stromabwärts, FIG 6 eine Anordnung mit einer am Ultraschallwandler direkt abschließenden Trennwand und lediglich einer Öffnung zum Gasaustausch im Nullfluß-Meßkanal, FIG 7 eine Anordnung mit vollständig geschlossenem Null¬ fluß-Meßkanal, bei der die Trennwand aus einer Mem¬ brane oder aus porösem Material besteht, FIG 8 eine Anordnung mit einer Trennwand gemäß FIG 1, die lediglich im Bereich des Ultraschallwandlers als Mem¬ bran ausgeführt ist, FIG 9 eine Anordnung mit einem Nullfluß-Meßkanal mit Öff¬ nungen zum Mediumaustausch senkrecht zur Ultraschall- führung,

FIG 10 einen Strömungskanal gemäß dem Stand der Technik, z.B. gemäß der DE-OS 39 41 546.

Gemäß der Erfindung ist parallel zum Strömungskanal 1 des be- kannten Ultraschall-Durchflußmessers gemäß FIG 10 ein Null¬ fluß-Meßkanal 11 vorgesehen (siehe FIG 1) . Bei dem schon be¬ kannten, hier als Beispiel dienenden Ultraschall-Durchfluß-

messer sind zwei Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3,4 an der (oberen) Seitenwand eines Meßrohrs angebracht, welches den Strömungskanal 1 bildet. Die beiden Ultraschall-Sende- /Empfangswandler 3,4 durchschallen den Strömungskanal 1 in dieser beispielhaften Ausführung abwechselnd auf einem W-för¬ migen Ultraschallweg 2, der deutlich länger ist als die di¬ rekte Strecke zwischen beiden Wandlern 3,4.

Der Strömungskanal 1 ist hier relativ schmal ausgebildet und wird durch entsprechend ausgewählte Wandler 3,4 mit großem Durchmesser sehr gut überdeckt, was eine sehr gute Durch¬ schallung des Strömungskanals 1 mit Ultraschall zur Folge hat. Dies ist eine der Hauptursachen für die hervorragende Meßlinearität des verwendeten Meßrohrs.

Das Meßrohr steht im allgemeinen nicht direkt mit der Umge¬ bung in Verbindung, sondern befindet sich in einer zeichne¬ risch nicht dargestellten Stahlbox, die für das Meßrohr unter anderem Einlaßvolumina bereitstellt. Die Stahlbox ist kom- plett mit dem Medium Gas oder Flüssigkeit gefüllt, dessen

Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Aus dem in der Box enthaltenen Vorrat strömt das Medium m in das Meßrohr und von dort in einen Auslaß, der jedoch vom Einlaßvolumen dicht getrennt ist. Soweit ist der Ultraschall-Durchflußmesser be- kannt und bedarf keiner näheren Darstellung.

Die beiden parallel angeordneten Kanäle 1,11 besitzen im vor¬ liegenden Ausführungsbeispiel nach FIG 1 eine gemeinsame Trennwand 12. Die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3,4 sind - wie im Stand der Technik - schräg an einer Seitenwand des

Strömungskanals 1 angebracht und durchschallen den Strömungs¬ kanal 1 nicht nur auf dem W-förmigen Ultraschallweg 2, son¬ dern zugleich auch den Nullfluß-Meßkanal 11, den sie gemäß FIG 1 ebenfalls überdecken. Dabei wird der eigentliche Strö- mungskanal 1 ebenfalls sehr gut durchschallt. Der Nullfluß- Meßkanal 11 enthält das gleiche Medium m wie der Strömungska¬ nal 1, wobei das Medium m hier allerdings zumindest in bezug

auf die Durchschallung nahezu ruht. Die Durchschallung im Nullfluß-Meßkanal 11 geschieht nicht W-förmig, sondern mit¬ tels zweier Reflexionen annähernd direkt (siehe FIG 2), so daß der Abstand der beiden Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3,4 praktisch den effektiven Ultraschallweg 13 im Nullfluß- Meßkanal 11 darstellt. Damit ergibt sich im Vergleich zum W- förmigen Ultraschallweg 2 eine deutlich kürzere Ultraschall- Laufzeit T2. Die Qualität der Durchschallung des Nullfluß- Meßkanals 11 ist nicht besonders kritisch. Die Impulsform und der Empfangspegel der Ultraschallsignale im Strömungskanal 1 und im Nullfluß-Meßkanal 11 sind etwa gleich. Eine Box ist mit 10 bezeichnet.

Zur besseren Veranschaulichung der Anordnung sind die an bei- den Enden des Meßrohrs angebrachten Ultraschall-Sende-/Em- pfangswandler 3 und 4 gemäß FIG 2 übereinander dargestellt, d.h. die die Kanäle 1,11 durchschallenden Wandlerflächen auf der Sende- und Empfangsseite gehören jeweils zu demselben Ul¬ traschallwandler 3 oder 4. FIG 2 verdeutlicht, daß im Strö- mungskanal 1 eine W-förmige Durchschallung erfolgt, während der Ultraschallweg 13 im Nullfluß-Meßkanal 11 direkt bzw. ge¬ radlinig ist (bis auf die beiden erwähnten Reflexionen) .

Der jeweils sendende Ultraschallwandler 3 oder 4 sendet einen Ultraschallimpuls aus, der sich gleichzeitig in beiden Kanä¬ len 1,11 fortpflanzt. Aufgrund der kürzeren Schallaufzeit T2b im Nullfluß-Meßkanal 11 gegenüber der Ultraschall-Laufzeit T2a entlang dem W-förmigen Ultraschallweg 2 wird der Impuls aus dem Nullfluß-Meßkanal 11 vom empfangenden Ultraschall- wandler 4 bzw. 3 zuerst empfangen. Danach wird der empfangen¬ de Ultraschallwandler 3,4 das Ultraschallsignal vom Strö¬ mungskanal 1 empfangen, wie in FIG 3 dargestellt. Beide Si¬ gnale sind zeitlich voneinander separiert und damit getrennt auswertbar. Besonders wichtig und grundlegend ist die Voraus- setzung, daß die beiden Ultraschallsignale in den Kanälen 1,11 von ein und demselben Paar von Ultraschall-Sende-/Em- pfangswandlern 3,4 erzeugt und empfangen werden und auch von

der gleichen, mit den Ultraschallwandlern 3,4 verbundenen Elektronik ausgewertet werden. Gemäß FIG 3, worin die vom Wandler 3 oder 4 empfangenen Ultraschallsignale in den beiden Kanälen 1,11 über der Zeit t beispielhaft dargestellt sind, ergibt sich eine Separationszeit T3, deren Dauer von folgen¬ den Einflußgrößen abhängt:

- Länge des Meßrohrs

- Höhe des Meßrohrs - Schallgeschwindigkeit des Mediums

- Flußgeschwindigkeit im Strömungskanal

- Ausprägung des Nullfluß-Meßkanals.

Die Qualität der Separation hängt im wesentlichen von der An- stiegs- und Abfallszeit der beteiligten Ultraschallsignale, d.h. der Wandlerausklingzeit und dem akustischen "Nachklap¬ pern" aufgrund der Körperschallübertragung durch das Meßrohr sowie von weiteren möglicherweise beteiligten parasitären Si¬ gnalen ab.

Die die empfangenen Ultraschallsignale auswertende Elektronik hat demzufolge gegenüber einer herkömmlichen Elektronik zu¬ sätzlich die Aufgabe zu bewältigen, zwei in kurzer Folge ein¬ treffende Ultraschallsignale zu bearbeiten und beide Schall- aufzeiten Tla,Tlb bzw. T2a,T2b zu messen.

Zur Wirkungsweise des vorliegenden Prinzips, mit einem zu¬ sätzlichen Nullfluß-Meßkanal eine kontinuierliche Nullfluß- Kalibrierung zu erreichen, wird folgendes ausgeführt:

Nach dem vorliegenden Kenntnisstand kann davon ausgegangen werden, daß der Nullfluß im wesentlichen von der Elektronik und den Ultraschallwandlern verursacht wird. Der Nullfluß- Meßkanal 11 mißt mit Hilfe der für die Strömungsmessung im Strömungskanal 1 verwendeten Ultraschallwandler 3,4 und der Elektronik den Nullflußeffekt in einem nicht durchströmten Kanal. Damit ist eine simultane Nullflußmessung bei jeder

Strömungsmessung ohne Abschaltung der Strömung möglich. Das Ergebnis der Nullflußmessung kann also sofort in das Ergebnis der Strömungsmessung eingerechnet werden. Jede Veränderung der Bedingungen für die Nullflußmessung (Temperatur, Medium, Alterung) wird dabei sofort erfaßt und richtig korrigiert. Weiterhin werden bei dieser Methode auch die meisten Null¬ fluß-Einflüsse der Elektronik erfaßt. Eine Nullfluß-Kalibrie¬ rung ist damit nicht mehr notwendig. Die Korrektur der Strö¬ mungsgeschwindigkeit v im Strömungskanal 1 bzgl. des Null- flußwerts kann z.B. in folgender Weise erfolgen:

_ Tla - T2a - Tlb + T2b T\a• T2a

Tl: Schallaufzeit entgegen der Ξtrömungsrichtung T2 : Schallaufzeit in Strömungsrichtung a: Messung im Strömungskanal b: Messung im Nullfluß-Meßkanal

Wichtig ist die Tatsache, daß das Medium im Nullfluß-Meßkanal 11 keiner nennenswerten Strömung ausgesetzt ist, aber stets dafür gesorgt wird, daß das Medium im Nullfluß-Meßkanal 11 das gleiche ist wie das im Strömungskanal 1 zu messende, auch wenn letzteres ausgetauscht wird. Hierzu sind die folgenden Ausbildungen der Meßanordnung vorgesehen. Hier und im folgen- den sind gewisse Maßnahmen nur am linken Ende des Durchflu߬ messers gezeigt. Da sie jedoch symmetrisch auch am rechten Ende durchgeführt werden, ist der gezeigte Wandler jeweils mit 3,4 bezeichnet. Der Wandler 3,4 ist jeweils abgedichtet gehaltert, was durch einen eingezeichneten O-Ring symboli- siert ist.

Gemäß FIG 4 ist der Strömungskanal 1 mit dem Nullfluß-Me߬ kanal 11 nur an den Stellen verbunden, an denen sich die Ul- traschall-Sende-/Empfangswandler 3,4 befinden. Ansonsten ist der Nullfluß-Meßkanal 11 geschlossen. Beide Kanäle 1,11 sind durch die Trennwand 12 voneinander getrennt, die zu den Ul-

traschallwandlern 3,4 einen Spalt 14 aufweist. Durch Vorgabe der Breite des Spaltes 14 kann bestimmt werden, ob und wie¬ viel Gas oder Flüssigkeit vom Strömungskanal 1 in den Null¬ fluß-Meßkanal 11 eindringen soll. Der Fluß durch den Null- fluß-Meßkanal 11 kann dabei so klein gemacht werden, daß er für die v-Messung einen zu vernachlässigenden Fehler dar¬ stellt. Wird der Spalt 14 verkleinert und damit der Nullfluß- Meßkanal 11 entsprechend abgedichtet, kann die Geschwindig¬ keit des Austausches des Mediums m zwischen beiden Kanälen 1,11 soweit reduziert werden, daß der Austausch einer Diffu¬ sion entspricht. Ein geringer Spalt 14 zwischen den Ultra¬ schallwandlern 3,4 und der Trennwand 12 hat weiterhin den Vorteil, daß eine Körperschalleinkopplung, z.B. über das Meßrohr, gering gehalten wird.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach FIG 5 sind der Strömungs¬ kanal 1 und der Nullfluß-Meßkanal 11 an den Ultraschallwand¬ lern 3,4 voneinander getrennt. Der Nullfluß-Meßkanal 11 ist aber in geeigneter Weise gegenüber der Umgebung stromauf und stromab in Bezug auf die Richtung der Strömung im Strömungs- kanal 1 offen. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß sich die eigentliche Meßzelle, d.h. das Meßrohr mit den beiden Kanälen 1,11, innerhalb einer umhüllenden Stahlbox be¬ findet. Damit ist der Durchfluß durch den Nullfluß-Meßkanal 11 kollinear mit dem im Strömungskanal 1. Er wird durch die Druckdifferenz zwischen beiden Öffnungen innerhalb der Stahl¬ box zur Zu- und Abführung bestimmt. Der dabei erreichte Durchfluß ist aber so einzustellen, daß die eigentliche Strö¬ mungsmessung nur unwesentlich verfälscht wird. Abhängig von der Anordnung in der Gesamtbox kann aber auch der Fluß durch den Nullfluß-Meßkanal in umgekehrter Richtung im Vergleich zu dem im Strömungskanal 1 erfolgen. Der Gasaustausch im Null¬ fluß-Meßkanal 11 ist in FIG 5 durch einen Pfeil angezeigt.

Die zuletzt beschriebene Ausführungsform läßt sich derart ab¬ wandeln, daß der Nullfluß-Meßkanal 11 nur an einer Stelle ge¬ genüber der Umgebung innerhalb der Stahlbox offen ist, so daß

der Austausch des Mediums, z.B. des Gases, lediglich durch Diffusion bestimmt ist. Die Öffnung ist hier, wie z.B. in FIG 6 dargestellt, auf der dem Ultraschallwandler 3,4 gegen¬ überliegenden Seite im Nullfluß-Meßkanal 11 vorgesehen, wie durch den Pfeil zeichnerisch angedeutet. Ansonsten ist dieser geschlossen.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß FIG 7 ist der Null¬ fluß-Meßkanal 11 vollständig geschlossen, d.h. auch im Be- reich der Ultraschallwandler 3,4. Die Trennwand 12 zwischen beiden Kanälen 1,11 besteht hier aus einem porösen Material bzw. einer Membran, z.B. einer PTFE-Folie (Polytetrafluor- ethylen: Teflon®). Damit kann z.B. ein Gasaustausch sowohl durch Diffusion bei sehr geringen Durchflüssen als auch ein sehr geringer Fluß durch die Membran bei höheren Strömungs¬ geschwindigkeiten im Strömungskanal 1 erfolgen.

Eine Abwandlung der zuletzt genannten Ausführungsform besteht darin, daß nicht die gesamte Trennwand 12 zwischen beiden Ka- nälen 1,11 aus einer Membran besteht, sondern nur ein relativ kleiner Bereich 21, der gleichzeitig beide Kanäle 1,11 an den Ultraschallwandlern 3,4 voneinander trennt (FIG 8). Hierdurch ergibt sich als Vorteil, daß eine mögliche Körperschallein¬ kopplung durch die Verwendung des porösen Materials verrin- gert wird.

Gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 5 ist es weiterhin möglich, daß die Öffnungen im Nullfluß-Meßkanal 11 nicht stromauf und stromab bezüglich des Strömungsmeßkanals 1 ange- ordnet sind. Sie können vielmehr in der Weise angeordnet sein, daß der Nullfluß-Meßkanal 11 von oben nach unten oder umgekehrt (FIG 9), d.h. also rechtwinklig zur Durchschal- lungsrichtung bzw. zur Flußrichtung im Strömungskanal 1, durchströmt wird, wie durch die Pfeile zeichnerisch angedeu- tet. Dies läßt sich durch geeignete konstruktive Maßnahmen in der Stahlbox erreichen. Der Fluß wird dabei so eingestellt, daß einerseits ein schneller Austausch des Mediums erfolgt

und andrerseits die Messung des Nullflusses im Nullfluß-Me߬ kanal 11 nicht gestört wird. Der große Vorteil dieser Anord¬ nung besteht darin, daß die Strömung z.B. bei einem Gasaus- tausch rechtwinklig zur Durchschallung erfolgt. Damit ist aber eine strömungsgeschwindigkeitsabhängige Differenz der Laufzeiten durch die Strömung ausgeschlossen.

Durch den Nullfluß-Meßkanal 11 und den seitlichen Versatz der Ultraschallwandler 3,4 könnte die Durchschallung des Strö- mungskanals 1 möglicherweise etwas beeinträchtigt werden und Probleme hinsichtlich der Pegel und Linearität nachsichzie- hen. Dem kann dadurch begegnet werden, daß Ultraschallwandler mit relativ großem Durchmesser verwendet werden. Bei Ultra¬ schallwandlern für Gas, bei denen der Radialmode für die Ul- traschall-Strömungεmessung verwendet wird, bedeutet dies ne¬ ben einer größeren Kapazität bei gleicher Dicke der Ultra¬ schallwandler eine niedrigere Trägerfrequenz. Da die Schall¬ dämpfung in Gas frequenzabhängig ist, kann hiermit auch eine Verbesserung des Übertragungsmaßes erreicht werden. Weiterhin kann auch eine Verbesserung der Übertragung in hochdämpfenden Gasen, wie Methan, erreicht werden.

Im folgenden sollen anhand eines Zahlenbeispiels die zu er¬ wartenden Meßdaten bei einem erfindungsgemäßen Durchflußmes- ser wiedergegeben werden. Dabei wird für den W-förmigen Ul¬ traschallweg 2 eine Länge von 222 mm und für den Ultraschall¬ weg 13 im Nullfluß-Meßkanal 11 eine Länge von 170 mm angenom¬ men. Damit ergeben sich für Luft Ultraschall-Laufzeiten von 653 μsek und 500 μsek, d.h. die Separationszeit T3 ergibt sich zu 153 μsek. Für Methan, in dem sich der Ultraschall sehr viel schneller (c = 430 m/sek) ausbreitet, ergeben sich Ultraschall-Laufzeiten von 516 μsek und 395 μsek, d.h. es er¬ gibt sich eine Separationszeit T3 von 121 μsek.

Unter der Annahme, daß der Querschnitt des Nullfluß-Meßkanals 11 etwa 5 x 5 mm ² beträgt und daß 1 % des Durchflusses durch den Strömungskanal 1 durch den Nullfluß-Meßkanal 11 fließt,

kann bei der oben erwähnten Anordnung gemäß FIG 4 ein Gasaus¬ tausch im Nullfluß-Meßkanal 11 selbst bei minimalem Durchfluß von 40 1/h in ca. 38 sek erreicht werden.

Hieraus wird deutlich, daß für die vorgeschlagenen Ausfüh¬ rungsformen bei entsprechend gewählten Abmessungen sich in der Praxis ausreichende Separationszeiten ergeben und ferner die Dauer des Gasaustausches genügend klein gehalten werden kann.