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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitverfahren und das Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät. DOLLAR A Es liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Kalibrierung des akustischen Kalibrierfaktors Ka von Clamp-on-Durchflussmessgeräten zu schaffen, das ohne die Bereitstellung eines Referenzvolumenstromes auskommt. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eine gegenseitige Translation der Schallwandler eine Positionsdifferenz realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen. Die Abstrahlflächen der beiden Schallwandler sind dazu in zueinander parallelen Ebenen akustisch gegenüberliegend angeordnet.
    公开号:DE102004031274A1
    申请号:DE102004031274
    申请日:2004-06-28
    公开日:2006-12-28
    发明作者:Bernhard Funk；Andreas Mitzkus
    申请人:Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH；
    IPC主号:G01F1-66
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten nachdem Laufzeitverfahren und das Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät.
    [0002] Clamp-on-Durchflussmessgeräte finden breitenEinsatz in vielen Bereichen der Industrie. Einer ihrer wesentlichenVorteile besteht darin, dass die Durchflussmessung berührungslosstattfindet. Bei Clamp-on-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitdifferenzverfahrenwird die Differenz zweier sich in bzw. gegen die Strömung ausbreitenderSchallsignale gemessen und daraus der Volumenstrom berechnet. DieLaufzeitdifferenz hängtvon der mittleren StrömungsgeschwindigkeitVl auf dem Schallpfad, dem Schalleinstrahlwinkel im Fluid sowieder Schallaufzeit tfl ab. Der Zusammenhang wird durch folgende Formelbeschrieben: Vl =Ka·(Δt/2tf1) Gl. (1)
    [0003] Dabeiist Ka der akustische Kalibrierfaktor, der den Einstrahlwinkel imFluid bestimmt: Ka= cα/sin(α) Gl. (2)
    [0004] DerEinstrahlwinkel im Fluid wird hier über das Brechungsgesetz durchEinstrahlwinkel und Schallgeschwindigkeit im Schallwandlervorlaufausgedrückt.Um den Volumenstrom zu berechnen muss noch der strömungsmechanischeKalibrierfaktor KF bekannt sein, welcher dass Verhältnis desFlächenmittelwertesder Strömungsgeschwindigkeitzur mittleren Strömungsgeschwindigkeitauf dem Schallpfad darstellt: KF = VA/Vl Gl.(3)
    [0005] Dannergibt sich der Volumenstrom Q mit der Querschnittsfläche A desRohres zu Q = KF·A·Ka·(Δt/2tfl) Gl. (4)
    [0006] DieBerechnung des akustischen Kalibrierfaktors als Verhältnis vonSchallgeschwindigkeit und Einstrahlwinkel im Vorlauf setzt gewisseidealisierende Annahmen voraus. Zunächst müssen die Schallwandler optimal,das heißtakustisch gegenüberliegendpositioniert sein. Im praktischen Einsatz gibt es aber immer Abweichungenvon der Optimalposition. Weiterhin ist die Schallgeschwindigkeitim Vorlauf des Schallwandlers temperaturabhängig. Wenn die Temperatur desMessobjektes stark von der Umgebungstemperatur abweicht ist dieTemperatur im Schallwandler außerdemortsabhängig.Dann lässt sichder akustische Kalibrierfaktor nur numerisch berechnen, vorausgesetzt,die Temperaturverteilung im Vorlauf ist bekannt.
    [0007] EventuelleEinflüsseder Rohrwand auf den Einstrahlwinkel im Fluid werden durch Ka ebenfalls nichtberücksichtigt.
    [0008] InFällen,wo die genannten Abweichungen des akustischen Kalibrierfaktors relevantwerden und nicht rechnerisch kompensiert werden können, ist eineKalibrierung denkbar. Diese wird üblicherweise auf einem Durchflusskalibrierstandvorgenommen. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle in Gl. (4) enthaltenenVariablen, also der Volumenstrom Q, der strömungsmechanische KalibrierfaktorKF, die innere Querschnittsflächedes Rohres sowie die Laufzeit und die Laufzeitdifferenz bekanntsind. Der akustische Kalibrierfaktor lässt sich dann durch Umstellung derGl. (4) berechnen zu: Ka= Q/(A·KF·t/2tfl)) Gl. (5)
    [0009] Kalibrierstände sindjedoch nur füreine kleine Auswahl der in der Praxis vorkommenden Messbedingungenverfügbar.Für große Nennweitenoder hohe Temperaturen ist die Bereitstellung eines Referenzvolumenstromessehr aufwendig.
    [0010] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Kalibrierungdes akustischen Kalibrierfaktors Ka von Clamp-on-Durchflussmessgeräten zu schaffen, das ohne dieBereitstellung eines Referenzvolumenstromes auskommt.
    [0011] Erfindungsgemäß wird dieseAufgabe durch ein Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten gelöst, welchesdadurch gekennzeichnet ist, dass durch eine gegenseitige Translationder Schallwandler eine Positionsdifferenz realisiert und die damitverbundene Laufzeitdifferenz gemessen wird. Die Abstrahlflächen derbeiden Schallwandler sind dazu in zueinander parallelen Ebenen akustischgegenüberliegend angeordnet.
    [0012] DasVerfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass a. eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstandx0 + xd und die Messung der Schalllaufzeit t1 zwischen den Schallwandlernin dieser Position erfolgt, wobei x0 der Abstand für optimaleakustische Kopplung der beiden Schallwandler ist und xd die alsFehlposition bezeichnete Abweichung von dieser Position, b. eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstandx0 + xd + Δxund die Messung der Schalllaufzeit t2 zwischen den Schallwandlernin dieser Position erfolgt, und c. die Berechnung des akustischen Kalibrierfaktors Ka aus derAbstandsdifferenz Δxund der Zeitdifferenz Δt= t2 – t1nach der Formel Ka = Δx/Δt erfolgt.
    [0013] DieDurchführungdes Verfahrens erfolgt für eineausreichende Anzahl N von Fehlpositionen xd im Empfangsbereich xd1bis xd2 der Schallwandler zur Aufnahme einer von der Fehlpositionabhängigen Messreihedes akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd).
    [0014] Ineiner Ausführungsformerfolgt die Schallausbreitung zwischen den Schallwandlern über einenoder mehrere in zu den Schallwandlern parallelen Ebenen angeordneteReflektoren.
    [0015] Eineweitere Ausführungsieht die Schalleinkopplung überRohrsegmente vor, wobei die Rohrsegmente als Reflektoren ausgebildetsein können.
    [0016] DieSchallwandler könnenauch in der üblichenClamp-on-Anordnung,jedoch in Richtung der Rohrachse verschiebbar, auf einem Rohr angebracht sein.
    [0017] Daserfindungsgemäße Verfahrenwird für einUltraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät verwendet,um die Messgenauigkeit zu verbessern.
    [0018] DasUltraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät ist dadurch gekennzeichnet,dass der Volumenstrom mit einer nach einem der Ansprüche 1 bis7 bestimmten von der Fehlposition xd abhängigen akustischen KalibrierfaktorsKa(xd) berechnet wird.
    [0019] DasVerfahren lässtsich in einem erfindungsgemäßen Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät implementieren.
    [0020] Mindestenseiner der beiden Schallwandler ist mit einer Vorrichtung zur Variationder Position ausgestattet und es kann eine Selbstkalibrierung durchgeführt werden,indem der akustische Kalibrierfaktor Ka nach einem der Ansprüche 1 bis3 bestimmt wird.
    [0021] DieSelbstkalibrierung des Durchflussmessgerätes kann im laufenden Betriebstattfinden.
    [0022] Vorteildes Verfahrens und des Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerätes ist es, dass das Durchflussmessgerät ohne einenReferenzvolumenstrom kalibriert werden kann. Bei Selbstkalibrierungim laufenden Betrieb muss der Durchfluss nicht abgeschaltet werden.
    [0023] Nachfolgendwerden die Ausführungsbeispieleder Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
    [0024] 1 Schallwandleranordnungdirekt gegenüberliegend,wobei die Position von Schallwandler 1 in x-Richtung von derLinearpositioniereinheit 3 bestimmt wird.
    [0025] 2 Schallwandleranordnungmit Reflektor 6, wobei die Position der Schallwandler inx-Richtung von der Linearpositioniereinheit 3 bestimmtwird.
    [0026] 3 Schallwandleranordnungmit Rohrsegmenten, wobei die Position der Schallwandler in x-Richtungvon der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird.
    [0027] 4 Schallwandleranordnungauf einem Rohr, wobei die Position der Schallwandler in x-Richtungvon der Linearpositioniereinheit 3 bestimmt wird.
    [0028] DieAnordnung in 1 besteht aus den beiden Schallwandlern 1 und 2 dieakustisch gegenüberliegendangeordnet sind. Das bedeutet, dass ihre Abstrahlflächen parallelzueinander sind und der gegenseitige Abstand der Schallwandler sogewähltist, dass der Schallstrahl des einen Schallwandlers den anderenSchallwandler trifft. Dieser optimale Abstand soll mit x0 bezeichnetwerden. Der Schallwandler 2 sei wie in den Zeichnungenabgebildet, an der Stelle x = 0 angeordnet. Dann entspricht derSensorabstand der Position des Schallwandlers 2. Zwischen denSchallwandlern befindet sich ein Fluid, z.B. Wasser. Die ganze Anordnungwird dazu in einen Behältergetaucht, so dass das Fluid zumindest den Raum zwischen den Abstrahlflächen ausfüllt. DerSchallwandler 1 wird von der Linearpositioniereinheit 3 gehalten,so dass dessen Position in x-Richtung und damit der Sensorabstandmit Hilfe der Linearpositioniereinheit variiert werden kann.
    [0029] DieIdee besteht darin, den Messeffekt, den ein strömendes Fluid erzeugt, bei ruhendemFluid durch eine Bewegung der Schallwandler zu erzeugen. Üblicherweisewird bei der Berechnung des Messeffektes des Ultraschalldurchflussmessers nachdem Laufzeitdifferenzverfahren von der Modellvorstellung ausgegangen,dass sich die Strömungsgeschwindigkeitder Schallgeschwindigkeit vektoriell überlagert und damit eine Änderungder Laufzeit verbunden ist. Ebenso kann man aber auch vom örtlichenVersatz des Schallimpulses ausgehen, den dieser beim Durchlaufendes Weges zwischen den Schallwandlern erfährt und der dadurch entsteht, dassder Schallimpuls mit dem strömendenMedium mitgeführtwird. 1 zeigt den Verlauf 4 des Schallpfadesbei ruhendem Fluid und den Verlauf 5 wenn das Fluid mitder StrömungsgeschwindigkeitV strömt.
    [0030] Derdurch die Strömungverursachte örtliche Versatz Δxv ergibtsich aus der StrömungsgeschwindigkeitVl und der Laufzeit tfl zu Δxv= Vl·tfl Gl. (6)
    [0031] DurchUmstellen dieser Gleichung nach Vl und Einsetzen in Gl. (1) erhält man: Ka = 2Δxv/Δt Gl. (7)
    [0032] DasDoppelte des örtlichenVersatzes im Verhältniszur Zeitdifferenz ergibt also den akustischen Kalibrierfaktor.
    [0033] Nunbetrachten wir ein ruhendes Fluid und messen die Schalllaufzeitent1 und t2 fürdie zwei Positionen x bzw. x + Δxdes Schallwandlers 1. Mit der Positionsdifferenz Δx und derDifferenz der Laufzeiten Δt= t2 – t1lässt sichdann ebenfalls der akustische Kalibrierfaktor nach Gl. (7) berechnen: Ka = 2Δx/Δt Gl. (8)
    [0034] Damitlässt sichder akustische Kalibrierfaktor ohne Verwendung eines Referenzvolumenstromesermitteln. Stattdessen wird eine Positionsdifferenz der Schallwandlerrealisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessen.Für dieMessung der Laufzeitdifferenz kann das Clamp-on-Durchflussmessgerät selbstverwendet werden. Auf diese Weise werden nicht nur die Sensorensondern der gesamte Messwandler kalibriert.
    [0035] DieSchallübertragungist nicht nur bei optimalem Abstand x0 der Schallwandler möglich, sondernauch in einem gewissen Bereich x1 bis x2 um diese Position herum.Wie bereits oben erwähnt, weichtder akustische Kalibrierfaktor dann von dem nach Gl. (2) berechnetenWert ab. Die Fehlposition (deviation) xd bezeichnet die Differenzdes Schallwandlerabstandes x vom optimalen Abstand x0: xd = x – x0 Gl. (9)
    [0036] Daderartige Fehlpositionen in der Praxis nicht vermeidbar sind, istes sinnvoll, den akustischen Kalibrierfaktor Ka für eine Anzahlvon Schallwandlerabständeninnerhalb des Empfangsbereiches nach dem beschriebenen Verfahrenzu messen. Diese Messreihe kann dann im Durchflussmessgerät in Formeines fehlpositionsabhängigenakustischen Kalibrierfaktors Ka(xd) verwendet werden. Statt der Gl.(4) wird also folgende Formel verwendet: Q = KF·A·Ka(xd)·(Δt/2t1) Gl. (10)
    [0037] In 2 isteine Schallwandleranordnung mit Reflektor 6 gezeigt. DerVorteil dieser Anordnung besteht darin, dass beide Schallwandleraußerhalb desFluids angeordnet werden können.Nur die Abstrahlflächenund der Reflektor müssenim Fluid sein.
    [0038] DieAnordnung nach 3 ermöglicht die Erfassung der Einflüsse derRohrwand. Dazu sind die Schallwandler 1 und 2 anRohrsegmente 7 und 8 gekoppelt und der Schallwird an einem gegenüberliegendenRohrsegment 9 reflektiert. Auf diese Weise liegen akustischannähernddieselben Bedingungen vor wie bei der realen Messung an einem Rohr.Die Verwendung von Rohrsegmenten anstelle eines Rohres ermöglicht jedoch,die Schallwandler fest an die Rohrsegmente zu koppeln und zur Messungdes akustischen Kalibrierfaktors zusammen mit den Rohrsegmentenzu verschieben. Bei Verwendung eines vollständigen Rohres 10 mussder Schallwandler gegenüberdem Rohr 10 verschoben werden. Dabei ist es schwierig,die Ankopplung konstant zu halten. Erforderlich ist dies jedoch,wenn eine konkrete Messstelle vor Ort kalibriert werden soll. Indiesem Fall wird das Messobjekt also nicht nachgebildet, sondernist selbst Teil der Kalibrierung. Eine derartige Ausgestaltung derErfindung zeigt 4. Die Sensoren werden auf demRohr 10 in der üblichenMessanordnung angeklemmt. Mindestens einer der beiden Schallwandlerwird mit einer Linearpositioniereinheit verbunden. Diese Ausgestaltungder Erfindung ermöglichtdarüberhinaus die Selbstkalibrierung des Durchflussmessgerätes im laufendenBetrieb. Dazu wird in regelmäßigen Abständen derMessvorgang unterbrochen und die Laufzeitdifferenz Δt für die Positionsdifferenz Δx gemessenund daraus erfindungsgemäß der akustischeKalibrierfaktor ermittelt. Wenn dies nur an einer einzigen Sensorpositionerfolgen soll, ist keine vollständigeLinearpositioniereinheit erforderlich, sondern nur eine Vorrichtung,die es ermöglicht,genau zwei Sensorabständeeinzustellen. Eine solche Vorrichtung kann in die üblichenVorrichtungen zur Sensorbefestigung auf dem Rohr integriert werden.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Verfahren zur Kalibrierung von Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgeräten dadurch gekennzeichnet,dass durch eine gegenseitige Translation der Schallwandler einePositionsdifferenz realisiert und die damit verbundene Laufzeitdifferenz gemessenwird, wobei die Abstrahlflächender beiden Schallwandler in zueinander parallelen Ebenen akustischgegenüberliegendangeordnet sind.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,dass a. eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigenAbstand x0 + xd und Messung der Schalllaufzeit t1 zwischen den Schallwandlernin dieser Position erfolgt, wobei x0 der Abstand für optimaleakustische Kopplung der beiden Schallwandler ist und xd die alsFehlposition bezeichnete Abweichung von dieser Position, b.eine Positionierung der Schallwandler im gegenseitigen Abstand x0+ xd + Δxund Messung der Schalllaufzeit t2 zwischen den Schallwandlern indieser Position erfolgt, c. die Berechnung des akustischenKalibrierfaktors Ka aus der Abstandsdifferenz Δx und der Zeitdifferenz Δt = t2 – t1 nachder Formel Ka = Δx/Δt erfolgt.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet,dass die Durchführungfür eineausreichende Anzahl N von Fehlpositionen xd im Empfangsbereich xd1bis xd2 der Schallwandler zur Aufnahme einer von der FehlpositionabhängigenMessreihe des akustischen Kalibrierfaktors Ka(xd) erfolgt.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,dass die Schallausbreitung zwischen den Schallwandlern über einenoder mehrere in zu den Schallwandlern parallelen Ebenen angeordneteReflektoren erfolgt.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,dass die Schallübertragung über Rohrsegmenteerfolgt.
    [6] Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet,dass die den Schallwandlern gegenüberliegenden Rohrsegmente alsReflektoren ausgebildet sind.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,dass die Schallwandler in der üblichenClamp-on-Anordnung, jedoch in Richtung der Rohrachse verschiebbar,auf einem Rohr angebracht sind.
    [8] Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät nach demLaufzeitdifferenzverfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrommit einer nach einem der Ansprüche1 bis 7 bestimmten von der Fehlposition xd abhängigen akustischen KalibrierfaktorKa(xd) berechnet wird.
    [9] Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät nach demLaufzeitdifferenzverfahren dadurch gekennzeichnet, dass mindestenseiner der beiden Schallwandler mit einer Vorrichtung zur Variationder Position ausgestattet ist und eine Selbstkalibrierung durchgeführt wird,indem der akustische Kalibrierfaktor Ka nach einem der Ansprüche 1 bis3 bestimmt wird.
    [10] Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessgerät nach Anspruch9 dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstkalibrierung des Durchflussmessgerätes im laufendenBetrieb stattfindet.
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