DE102008013224A1

DE102008013224A1 - Measuring system for determining and/or monitoring flow of measuring medium through measuring tube, has measuring tube, where signal path runs and partly lies in partial volume of tube on plane

Info

Publication number: DE102008013224A1
Application number: DE200810013224
Authority: DE
Inventors: Oliver Berberig; Frank Wandeler
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10

Abstract

The system has an ultrasonic transducer (5) for transmitting and/or receiving measuring signals, which are spread in a plane on a signal path (6) inside a measuring tube (2). A regulation/evaluation unit determines volume and/or mass flow of a measuring medium based on the measuring signals and/or measuring data. A flow-guiding device (3) is designed such that a flow component is impressed to a partial volume of the tube transverse to a main flow direction of the medium in the tube. The signal path runs and partly lies in partial volume of the tube on the plane. An independent claim is also included for a delay time difference method for determining and/or monitoring flow of a measuring medium through a measuring tube.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler, welcher Messsignale aussendet und/oder empfängt, wobei sich die Messsignale auf zumindest einem Signalpfad im Innern des Messrohrs im Wesentlichen in einer Ebene ausbreiten, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt.The The present invention relates to a measuring system for determination and / or monitoring the flow of a medium through a measuring tube with at least an ultrasonic transducer which emits measurement signals and / or receives, wherein the measurement signals on at least one Signal path in the interior of the measuring tube substantially in one plane spread, and with at least one control / evaluation unit, which on the basis of the measurement signals or on the basis of measurement data, which consists of the Measuring signals are derived, the volume and / or the mass flow of the measuring medium flowing in the measuring tube.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way, the volume flow and / or Determine mass flow in a pipeline.

Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.The known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.

Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.At the Runtime difference principle, the different maturities of ultrasonic pulses relative to the flow direction of Liquid evaluated.

Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.For this Ultrasonic pulses are at a certain angle to the tube axis sent both with and against the flow. Out the transit time difference allows the flow rate and thus with a known diameter of the pipe section of the Determine volume flow.

Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.At the Doppler principle will be ultrasonic waves with a specific frequency coupled into the liquid and that of the liquid Evaluated reflected ultrasonic waves. From the frequency shift between the coupled and reflected waves also the flow rate of the liquid determine.

Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.reflections in the liquid, however, occur only when air bubbles or impurities are present in this, so this principle mainly with contaminated liquids Use finds.

Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B-686 255 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.The ultrasonic waves are generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers. For this purpose, ultrasonic transducers are firmly attached to the pipe wall of the relevant pipe section. More recently, clamp-on ultrasonic flow measurement systems have become available. In these systems, the ultrasonic transducers are pressed against the pipe wall only with a tension lock. Such systems are for. B. from the EP-B-686 255 . US-A 44 84 478 or US-A 45 98 593 known.

Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen ermittelt.Another ultrasonic flowmeter, which operates on the transit time difference principle, is from the US-A 50 52 230 known. The transit time is determined here by means of short ultrasound pulses.

Herkömmlicherweise sind in den derzeit bekannten Ultraschall-Inline-Durchflusszählern der oder die Strömungsgeschwindigkeitsmesspfade unter einem bestimmten, von 0° unterschiedlichen Winkel α angeordnet, insbesondere ist dieser Winkel α größer gleich 30°. In den meisten Fällen verlaufen die Messpfade unter einem Winkel α = 45°.traditionally, are in the currently known ultrasonic inline flow meters the one or more flow velocity measuring paths under one certain angles α different from 0 °, In particular, this angle α is greater equal to 30 °. In most cases, the Measuring paths at an angle α = 45 °.

Der Grund hierfür liegt im Messprinzip begründet. Um die Strömungsgeschwindigkeit mittels des Laufzeitdifferenz- oder des Doppler-Verfahrens messen zu können, ist eine strömungsgeschwindigkeitsinduzierte Laufzeitdifferenz bzw. Frequenzverschiebung erforderlich. Würde der Messpfad exakt senkrecht zur Rohrachse (α = 0°) angeordnet, so bliebe die Laufzeitdifferenz zwischen den Sensoren infolge vernachlässigbarer Querkomponenten in der Strömung annähernd Null bzw. es gäbe keine Frequenzverschiebung bei der Reflexion der Schallwellen an mitgeführten Partikeln. Um einen nennenswerten Messeffekt zu erzielen wird deshalb die Messpfadachse in kommerziellen US-Inline-Durchflusszählern um den eingangs genannten Winkel gekippt.Of the The reason for this lies in the measuring principle. To adjust the flow velocity by means of the transit time difference or the Doppler method is one flow velocity-induced transit time difference or Frequency shift required. Would the measuring path exactly arranged perpendicular to the tube axis (α = 0 °), so would remain the transit time difference between the sensors due to negligible cross components in the flow nearly zero or there would be no frequency shift in the reflection of the sound waves entrained particles. To a noteworthy measuring effect The measurement path axis in commercial US inline flow meters will therefore be achieved tilted at the aforementioned angle.

Hieraus ergeben sich bei US-Inline-Durchflusszählern basierend auf dem Laufzeitdifferenzverfahren Nachteile. Aus dem Messpfadwinkel und den über das Messrohr hinausragenden Sensorhalterungen, die einen gewissen Einbauabstand zu den Flanschen aufweisen müssen, resultiert eine definierte, nicht zu unterschreitende Mindestbaulänge. Weiterhin kommt es an den Durchdringungen der Sensorbohrungen zu Strömungsverwirbelungen, die sich auf die Laufzeitdifferenzmessung auswirken. Je größer der Winkel α gewählt wird, desto größer fällt die Durchdringungsfläche und damit einhergehend eine lokale, im Messpfad liegende Strömungsbeeinflussung aus.This results in disadvantages for US inline flow meters based on the transit time difference method. From the measuring path angle and beyond the measuring tube projecting sensor holders, which must have a certain installation distance to the flanges, resulting in a defined, not to be exceeded minimum length. Furthermore, it comes at the penetrations of the sensor bores to Strömungsverwirbelungen that affect the transit time difference measurement. The larger the angle .alpha. Is selected, the larger the penetration surface and, associated therewith, a local, lying in the measuring path Flow control out.

Ein weitere nachteilige Eigenschaft konventionell aufgebauter US-Inline-Durchflusszählern besteht darin, dass sie im Allgemeinen empfindlich auf Ungleichmäßigkeiten in der Anströmung reagieren, insbesondere auf Ungleichmäßigkeiten in der Geschwindigkeitsverteilung über dem Messquerschnitt. Dies ist ebenfalls auf das Messprinzip zurückzuführen. Bei US-Inline-Durchflusszählern wird der Strömungsquerschnitt üblicherweise entlang mehrerer, zur Rohrachse geneigter Messpfade durchschallt. Mit zunehmendem Innendurchmesser der Rohrleitung erfassen die Messpfade einen immer geringeren Anteil des Messquerschnitts bzw. der im Messquerschnitt auftretenden Geschwindigkeitskomponenten. Dies liegt darin begründet, dass üblicherweise für die verschiedenen Rohrnennweiten baugleiche Ultraschallwandler in den Durchflusszählern zum Einsatz kommen. Damit bleibt der erfassbare Strömungsbereich annähernd gleich, während der Messquerschnitt mit zunehmender Nennweite zunimmt.One Another disadvantageous feature of conventionally constructed US inline flow meters is that they are generally sensitive to irregularities react in the flow, in particular on irregularities in the velocity distribution over the measuring cross section. This is also due to the measuring principle. For US in-line flow meters, the flow area becomes common sounded through along several, inclined to the tube axis measuring paths. As the inner diameter of the pipeline increases, the measuring paths are detected an ever smaller proportion of the measuring cross section or in the measuring cross section occurring speed components. This is due to that usually for the different pipe sizes identical ultrasonic transducers in the flow meters be used. This leaves the detectable flow area approximately the same, while the measuring cross section increases with increasing nominal width.

Die Messpfade sind nun so angeordnet, dass bei idealer Anströmung, d. h. bei einer voll ausgebildeten turbulenten Rohrströmung, die erfassten Geschwindigkeitsanteile multipliziert mit bestimmten Gewichtsfaktoren, zusammen möglichst genau der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Messquerschnitt entsprechen. Kommt es nun stromaufwärts zu einer Störung der idealen Anströmung, z. B. durch einen Rohrkrümmer oder ein Ventil, so verändert sich die Geschwindigkeitsverteilung im Messquerschnitt. Da es sich in den meisten Fällen um eine Veränderung handelt, die einen zur Messpfadanordnung asymmetrischen Verlauf aufweist, entsprechen die erfassten und gewichteten Geschwindigkeitsanteile nicht mehr der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und kommt es zu einem Messfehler.The Measuring paths are now arranged so that with ideal flow, d. H. in a fully developed turbulent pipe flow, the detected speed components multiplied by certain Weight factors, together as accurately as possible the middle Flow rate in the measuring cross section correspond. comes it now upstream to a fault of the ideal Flow, z. B. by a pipe bend or a Valve, this changes the velocity distribution in the measuring cross section. Since it is in most cases to there is a change, the one to the measuring path arrangement asymmetric course, the recorded and weighted correspond Speed shares no longer the mean flow velocity and there is a measurement error.

Zur Abschwächung dieser prinzipbedingten Problematik wird typischerweise die Messpfadanzahl erhöht. Durch eine erhöhte Anzahl an Messpfaden lässt sich ein größerer Anteil des Messquerschnitts erfassen. Da aufgrund der Mediumskontinuität des Messmediums ein Rückgang der Strömungsgeschwindigkeiten in einem ersten Bereich des Messquerschnitts mit einer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeiten in einem zweiten Bereich einhergeht, unter Voraussetzung eines inkompressiblen Fluids, werden diese veränderten Verteilungen von den zusätzlichen Messpfaden erfasst. Damit nimmt die Messgenauigkeit wieder zu. Dies ist z. B. der US-PS 3 940 985 zu entnehmen. Diese Methode bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass der technische Aufwand und damit die Kosten für das Messgerät deutlich zunehmen.To mitigate this principle-related problem typically the Meßpfadanzahl is increased. Due to an increased number of measuring paths, a larger proportion of the measuring cross section can be detected. Since, due to the medium continuity of the measuring medium, a decrease in the flow velocities in a first region of the measuring cross section is accompanied by an increase in the flow velocities in a second region, assuming an incompressible fluid, these altered distributions are detected by the additional measuring paths. This increases the measuring accuracy again. This is z. B. the U.S. Patent 3,940,985 refer to. However, this method has the disadvantage that the technical complexity and thus the cost of the meter significantly increase.

Eine Alternative zur Erhöhung der Messpfadanzahl stellt eine Strömungskonditionierung in US-Inline-Durchflusszählern dar. Nachfolgend werden hierzu einige Beispiele aufgeführt.A An alternative to increasing the number of measuring paths is a Flow conditioning in US inline flow meters Below are a few examples.

Eine Rohrquerschnittsverengung, die auch als Düse bezeichnet wird, führt bekanntlich zu einem Ausgleich von Geschwindigkeitsunterschieden im Strömungsprofil und zu einer Reduzierung von turbulenten Fluktuationen im Verhältnis zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften macht sich beispielsweise der US-Inline-Durchflusszähler Altosonic V der Firma Krohne zunutze (siehe Datenblatt „ALTOSONIC V Ultraschall-Durchflussmesser” von 04/2004, S. 3 ). Nachteilig an dieser Methode ist zum einen die nur eingeschränkte Fähigkeit, ein asymmetrisches Profil messtechnisch ausreichend zu konditionieren. Zum anderen werden unerwünschte Drallkomponenten nicht entfernt, sondern durch die Einschnürung sogar deutlich verstärkt. Deshalb kommt beim genannten Messgerät üblicherweise ein mindestens zehn Nennweiten langes Einlaufrohrstück mit Rohrbündelgleichrichter zum Einsatz, welches für die gewünschte Konditionierung sorgt. Daraus ergibt sich zum einen eine sehr große Gesamtbaulänge und zum anderen verursachen der Rohrbündelgleichrichter und die Querschnittsverengung nicht unerhebliche Druckverluste.A tube cross-sectional constriction, also referred to as a nozzle, is known to compensate for velocity differences in the airfoil and to reduce turbulent fluctuations in relation to mean flow velocity. These properties are exploited, for example, by the US inline flow meter Altosonic V from Krohne (see data sheet "ALTOSONIC V Ultrasonic Flowmeter" from 04/2004, p. 3 ). The disadvantage of this method is, on the one hand, the limited ability to adequately condition an asymmetrical profile. On the other unwanted swirl components are not removed, but even significantly reinforced by the constriction. For this reason, the inlet tube piece with tube bundle rectifier, which is at least ten in nominal diameter, is usually used in the abovementioned measuring device, which ensures the desired conditioning. This results, on the one hand, in a very large overall length and, on the other hand, cause the tube bundle rectifier and the cross-sectional constriction not insignificant pressure losses.

Zur Vermeidung von Querkomponenten und Rotationsanteilen in der Strömung werden z. B. Gleichrichter eingesetzt, die den Strömungsquerschnitt in viele Teilquerschnitte unterteilen, welche wiederum einen in axialer Richtung konstanten Querschnitt aufweisen. Dazu zählen beispielsweise Rohrbündel-, Waben- und Sterngleichrichter. Solche Geometrien lassen sich zur Verbesserung der Messeigenschaften direkt in US-Inline-Durchflusszählern integrieren. Beispielhaft kommen in der US-PS 4 365 518 solche Gleichrichterstrukturen in Verbindung mit einer axialen Durchschallung zum Einsatz. Eine solche Anordnung ist jedoch nur für kleine Nennweiten geeignet und verhindert nicht, dass in den einzelnen Teilquerschnitten sehr unterschiedliche Geschwindigkeiten vorherrschen können.To avoid cross-components and rotation rates in the flow z. B. rectifier used, which divide the flow cross-section into many partial cross sections, which in turn have a constant in the axial direction of cross section. These include, for example, tube bundle, honeycomb and star rectifiers. Such geometries can be integrated directly into US inline flow meters to improve measurement characteristics. Come exemplary in the U.S. Patent 4,365,518 Such rectifier structures are used in conjunction with an axial resonance. However, such an arrangement is only suitable for small nominal diameters and does not prevent very different speeds from prevailing in the individual partial cross sections.

Die US-PS 4 523 478 zeigt solche Gleichrichterstrukturen in Verbindung mit einer klassischen, gegen die Senkrechte zur Rohrachse gekippten Durchschallung. Eine solche Anordnung ist für alle Nennweiten geeignet, verhindert jedoch nicht, dass in den einzelnen Teilquerschnitten sehr unterschiedliche Geschwindigkeiten vorherrschen können. Damit bleibt die Problematik von US-Inline-Durchflusszählern ungelöst, bei ungleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung in der Anströmung, die spezifizierte Messgenauigkeit einzuhalten.The U.S. Patent 4,523,478 shows such rectifier structures in conjunction with a classic, tilted against the perpendicular to the tube axis Durchschallung. Such an arrangement is suitable for all nominal widths, but does not prevent very different speeds prevailing in the individual partial cross sections. Thus, the problem of US inline flow meters remains unresolved, with uneven velocity distribution in the flow to comply with the specified measurement accuracy.

Bekanntermaßen führt eine verstärkte Turbulenz senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zu einem erhöhten Impulsaustausch, der wiederum für eine Angleichung unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten in Hauptströmungsrichtung sorgt. Folglich lässt sich mit geeigneten Turbulenzerzeugern eine Strömungskonditionierung durchführen, wie z. B. in der US-PS 4 929 088 offenbart wird. Basierend auf diesem Prinzip wird in EP-PS 1 775 560 die Strömung in einem US-Inline-Durchflusszähler dahingehend beeinflusst, dass insbesondere Rotationskomponenten in der Anströmung soweit vermindert werden, dass die Messgenauigkeit des US-Inline-Durchflusszähler über seine Messspanne verbessert wird. Nachteilig an der vorgeschlagenen Methode ist ihre Beschränkung auf relativ kleine Nennweiten (DN ≤ 25 mm) in Kombination mit einer axialen Durchschallung des Messquerschnitts. Daraus wiederum resultiert eine zum Rohrdurchmesser relativ große Baulänge des Messsystems.Increased turbulence perpendicular to the main flow direction is known to result in an increased momentum exchange, which in turn ensures an equalization of different flow velocities in the main flow direction. Consequently, can be carried out with suitable turbulence generators, a flow conditioning, such. B. in the U.S. Patent 4,929,088 is disclosed. Based on this principle will be in EP-PS 1 775 560 Influence the flow in a US inline flow meter so that, in particular, flow components in the flow are reduced to such an extent that the measuring accuracy of the US inline flow meter is improved over its measuring span. A disadvantage of the proposed method is its limitation to relatively small nominal diameters (DN ≤ 25 mm) in combination with an axial transmission of the measuring cross section. This, in turn, results in a relatively long overall length of the measuring system relative to the pipe diameter.

In der GB-A 2 238 615 kommt zur Strömungskonditionierung eine den gesamten Messquerschnitt erfassende Konditionierspirale zum Einsatz. Der primäre Zweck der hierbei erzwungenen Strömungsumlenkung bzw. -umgestaltung besteht darin, Anteile unterschiedlicher Dichte aufgrund der dabei auftretenden Zentripetalkräfte voneinander zu separieren und damit insbesondere die Durchflussmessung in mehrphasigen Strömungen zu ermöglichen. Als sekundäre Eigenschaft resultiert aus der spiralförmigen Umlenkung eine Unabhängigkeit von den Antrömbedingungen, die jedoch ebenfalls durch eine lange Gesamtbaulänge und einen hohen Druckverlust erkauft wird.In the GB-A 2 238 615 For flow conditioning, a conditioning spiral covering the entire measuring cross-section is used. The primary purpose of forced flow diversion is to separate fractions of different densities from each other due to the centripetal forces that occur, thereby allowing flow measurement in multiphase flows, in particular. As a secondary characteristic, the helical deflection results in independence from the initial flow conditions, but this is also achieved through a long overall length and a high pressure drop.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagenen Methoden zur Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber ungleichmäßiger Anströmung entweder mit einem hohen technischen Aufwand, z. B. einer Erhöhung der Messpfadzahl, einhergehen oder aber durch eine große Gesamtlänge des Messaufbaus und/oder einer starken Erhöhung des Druckverlustes erkauft werden. Der Vorschlag zur Verwendung von Turbulenzerzeugern stellt eine Speziallösung dar, weil er nur für kleine Nennweiten und eine axiale Messpfadanordnung geeignet ist.In summary It can be said that the methods proposed for Reduction of sensitivity to uneven Flow either with a high technical effort, z. B. an increase in the measuring path number, accompanied or but by a large overall length of the measurement setup and / or a strong increase in the pressure loss. The proposal for the use of turbulence generators provides a Special solution, because he only for small sizes and an axial measuring path arrangement is suitable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ultraschallmesssystem vorzuschlagen, dessen Messgenauigkeit in geringem Maße von den gegebenen Bedingungen seiner Anströmung abhängt.The The object of the invention is to propose an ultrasonic measuring system, its measurement accuracy to a small extent from the given Conditions of its flow depends.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler, welcher Messsignale aussendet und/oder empfängt, wobei sich die Messsignale auf zumindest einem Signalpfad im Innern des Messrohrs im Wesentlichen in einer Ebene ausbreiten, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, vorgeschlagen wird, welches Messsystem mindestens eine strömungsführende Vorrichtung aufweist, welche so ausgestaltet ist, dass dem Messmedium mindestens eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr in mindestens einem Teilvolumen des Messrohrs aufprägbar ist, und die Ebene, in welcher der zumindest eine Signalpfad im Wesentlichen verläuft, mindestens teilweise in diesem Teilvolumen des Messrohrs liegt. Dabei ist die strömungsführende Vorrichtung vorteilhaft Teil des Messrohrs selbst oder sie sitzt in einem Messrohreinlauf in Strömungsrichtung vor dem Messrohr, wobei sie in beiden Fällen auch mehrfach angeordnet sein kann. Die strömungsführende Vorrichtung ist bevorzugt ein geometrisches Gebilde zur strömungsablösungsminimierten Konditionierung der Strömung im gesamten Querschnitt des Messrohrs.The Task is solved by a measuring system for the determination and / or monitoring a flow of a measuring medium by a measuring tube with at least one ultrasonic transducer, which measuring signals emits and / or receives, with the measurement signals on at least one signal path in the interior of the measuring tube substantially spread in one plane, and with at least one control / evaluation unit, which on the basis of the measurement signals or on the basis of measurement data, which derived from the measurement signals, the volume and / or the Mass flow of the measuring medium flowing in the measuring tube determined, it is proposed which measuring system at least one having flow-guiding device, which is configured such that the measuring medium at least one flow component transverse to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube can be imprinted in at least a partial volume of the measuring tube, and the plane in which the at least one signal path substantially runs, at least partially in this subvolume of Measuring tube is located. Here is the flow Device advantageously part of the measuring tube itself or she sits in a measuring tube inlet in the flow direction in front of the measuring tube, although in both cases they may also be arranged several times can. The flow-guiding device is preferred a geometric structure for flow separation minimized Conditioning the flow in the entire cross section of the Measuring tube.

Die Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr zeigt entlang der Messrohrachse vom Messrohreinlauf zum Messrohrauslauf. Das Messrohr kann verschiedene Querschnitte aufweisen. Bei einem Kreisquerschnitt zeigt eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr in Umfangsrichtung des Messrohrs. Es handelt sich dann also um eine Strömungskomponente in Umfangsrichtung des Messrohrs. Konditioniert die strömungsführende Vorrichtung die Strömung im gesamten Querschnitt eines Messrohrs mit kreisförmigem Querschnitt, kann von einer zur im Wesentlichen zur Messrohrachse rohrachsensymmetrisch rotierenden Strömung des Messmediums gesprochen werden.The Main flow direction of the measuring medium in the measuring tube shows along the measuring tube axis from the measuring tube inlet to the measuring tube outlet. The measuring tube can have different cross sections. For a circular cross section shows a flow component transverse to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube in the circumferential direction of the measuring tube. It So then is a flow component in the circumferential direction of the measuring tube. Conditioned the fluid Device the flow in the entire cross section of a Measuring tube with circular cross section, can of a to the tube axis substantially symmetrically rotating to Meßhemrachse Flow of the medium to be spoken.

Die Messsignale breiten sich entlang zumindest eines Signalpfads von Ultraschallsender zu Ultraschallempfänger aus. Wird das Ultraschallsignal auf seinem Signalpfad nicht reflektiert, liegen sich also Ultraschallsender und Ultraschallempfänger auf einer Geraden direkt gegenüber, so ist der Signalpfad ebenfalls im Wesentlichen gerade.The Measurement signals propagate along at least one signal path of Ultrasonic transmitter to ultrasonic receiver off. Will that be Ultrasound signal not reflected on its signal path, lie Thus, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver on a straight line directly opposite, so the signal path is also essentially straight.

Der so im Wesentlichen gerade Signalpfad liegt in einer Ebene, welche Ebene wiederum mindestens teilweise in dem, mit der dem Messmedium durch die strömungsführende Vorrichtung eingebrachten bzw. aufgezwungenen Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung, Teilvolumen des Messrohrs liegt.The substantially straight signal path lies in a plane, which plane, in turn, at least partially in the plane with which the measuring medium is introduced by the flow-guiding device forced flow component transverse to the main flow direction, partial volume of the measuring tube is located.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist es, die Robustheit von Ultraschall-Inline-Durchflusszählern gegenüber einer ungleichmäßigen Anströmung, sei es eine asymmetrische Geschwindigkeitsverteilung und/oder das Auftreten rotatorischer Strömungskomponenten, zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, neue Einsatzmöglichkeiten für Ultraschall-Inline-Durchflusszählern zu schaffen. Hierbei stehen Anwendungen im Vordergrund, die besonders kompakte Zählerabmessungen erfordern, bei denen eine besonders kurze Ein- und Auslaufstrecke gefordert wird, und/oder bei denen eine besonders große Messspanne (= Verhältnis von Qmax zu Qmin) erreicht werden muss, indem die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Messquerschnitt durch die konditionierende Geometrie gleichzeitig erhöht wird.One Advantage of the solution according to the invention it is the ruggedness of ultrasonic in-line flow meters against an uneven flow, be it an asymmetric velocity distribution and / or the Occurrence of rotary flow components, increase. Another advantage of the invention is new uses to create ultrasonic inline flow meters. Here are applications in the foreground, the most compact Meter dimensions require a particularly short Inlet and outlet section is required, and / or where a particularly large span (= ratio of Qmax to Qmin) must be achieved by the mean flow velocity in the measuring cross-section through the conditioning geometry at the same time is increased.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems steht die Ebene, in welcher der Signalpfad liegt, in einem Winkel größer 60° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr des Messmediums steht, da sich hiermit besonders kompakte Durchflusszählerabmessungen erzielen lassen und die Durchdringungsflächen der Sensorbohrungen besonders klein ausfallen. Ist der Signalpfad ebenfalls im Wesentlichen gerade, so verläuft der Signalpfad in einem erfindungsgemäßen Winkel größer 60° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr.According to one advantageous development of the invention Measuring system is the level in which the signal path is located in an angle greater than 60 ° to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube of the medium to be measured, since hereby achieve particularly compact flow meter dimensions let and the penetration surfaces of the sensor holes especially small. Is the signal path also essentially straight, the signal path runs in an inventive Angle greater than 60 ° to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube.

Die Ebene, in welcher der Signalpfad liegt, steht insbesondere in einem Winkel größer 65° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, insbesondere größer 70° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, insbesondere größer 75° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, insbesondere größer 80° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, insbesondere größer 75° zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr. Vorzugsweise ist der Winkel der Ebene, in welcher der Signalpfad liegt, näherungsweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, also z. B. senkrecht zur Längsachse eines Messrohrs mit kreisförmigem Querschnitt und der Signalpfad liegt in der im Wesentlichen rohrachsensymmetrisch rotierenden Strömung des Messmediums.The Level in which the signal path is located in particular in one Angle greater than 65 ° to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube, in particular larger 70 ° to the main flow direction of the medium to be measured in the measuring tube, in particular greater than 75 ° to Main flow direction of the measuring medium in the measuring tube, in particular greater than 80 ° to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube, in particular larger 75 ° to the main flow direction of the medium to be measured in the measuring tube. Preferably, the angle of the plane in which the Signal path is approximately perpendicular to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube, so z. B. perpendicular to the longitudinal axis a measuring tube with a circular cross section and the signal path lies in the essentially tube-symmetrically rotating flow of the measuring medium.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems sieht vor, dass der Signalpfad außerhalb der Messrohrachse verläuft.A advantageous development of the invention Measuring system provides that the signal path outside the Measuring tube axis runs.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist, dass der Signalpfad in einem Teil des Messrohrs verläuft, welcher einen kleineren Querschnitt aufweist als ein in Strömungsrichtung vorher und/oder nachher liegender Teil des Messrohrs. Ein solch eingeschnürter Querschnitt lässt sich z. B. durch eine kontinuierliche Verengung mittels gerichteter Konen wie bei einer Venturi-Düse erzeugen. Dabei ist das Messrohr oder der Messrohrein- und/oder -auslauf einseitig oder beidseitig verengt.A further advantageous embodiment of the invention Measuring system is that the signal path in a part of the measuring tube runs, which has a smaller cross-section as upstream and / or downstream Part of the measuring tube. Such a constricted cross-section can be z. B. by a continuous narrowing means directed cones produce like a Venturi nozzle. The measuring tube or the measuring tube inlet and / or outlet is one-sided or narrowed on both sides.

Eine besondere Form der Querschnittsverengung ist der Einsatz eines konzentrischen und rotationssymmetrischen Verdrängerkörpers im Messrohr oder im Messrohrein- und/oder -auslauf. Es existieren viele weitere Varianten von Querschnittsverengungen, deren Aufzählung hier nicht aufgeführt werden soll.A special form of the cross-sectional constriction is the use of a concentric and rotationally symmetrical displacer in Measuring tube or in the measuring tube inlet and / or outlet. There are many more Variants of cross-sectional constrictions, their enumeration not listed here.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems schlägt vor, dass die strömungsführende Vorrichtung das im Messrohr strömende Messmedium in eine im Wesentlichen rohrachsensymmetrische Rotation versetzt. Die Strömung des Messmediums im Messrohr wird nicht nur dahingehend konditioniert, dass eine Komponente in Umfangsrichtung eingebracht wird, sondern die Strömung wird im Wesentlichen vollständig konditioniert, indem Umfangskomponenten über den gesamten Umfang eingebracht werden und damit die Strömung in einen Drall versetzt wird – sie wird verwirbelt. In diesem Zusammenhang könnte die strömungsführende Vorrichtung auch als drallerzeugende Geometrie bezeichnet werden.A further advantageous embodiment of the invention Measuring system suggests that the flow Device the measuring medium flowing in the measuring tube into a essentially offset tube-symmetrical rotation. The flow the measuring medium in the measuring tube is not only conditioned to that a component is introduced in the circumferential direction, but the flow becomes essentially complete conditioned by circumferential components over the entire Scope be introduced and thus the flow in one Is twisted - it is vortexed. In this context could the flow-guiding device as a swirl-producing Geometry be called.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist darin zu sehen, dass die strömungsführende Vorrichtung propellerförmig oder turbinenförmig ist. Die körperliche Ausgestaltung der strömungsführenden Vorrichtung kann auch lediglich ein strömungsleitender Teil einer Propellerschaufel sein. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der strömungsführenden Geometrie ist die über den Rohrumfang gleichmäßig verteilte Anordnung von feststehenden Umlenkschaufeln in Kombination mit einem konzentrisch angeordneten Verdränger, einem sogenannten Leitgitter, wie es aus Turbomaschinen oder dem Einlauf eines Woltmannzählers bekannt ist. Ein Unterschied zwischen turbinenförmig und propellerförmig ist die Größe des Verdrängerkörpers in der Mitte der Schaufeln. Die Anzahl, die Größe, die Profilierung und der Umlenkwinkel der Schaufeln sind insbesondere von der geforderten Messgenauigkeit, der Messspanne und dem maximal zulässigen Druckverlust abhängig.A very advantageous development of the invention Measuring system can be seen in the fact that the flow Device propeller-shaped or turbine-shaped is. The physical design of the flow-leading Device can also only a flow-conducting Be part of a propeller bucket. A particularly preferred embodiment the flow-guiding geometry is the over the pipe circumference evenly distributed arrangement of stationary turning vanes in combination with a concentrically arranged Displacer, a so-called guide grille, as it is from turbomachinery or the inlet of a Woltmann counter is known. One Difference between turbine-shaped and propeller-shaped is the size of the displacer in the middle of the blades. The number, the size, the profiling and the deflection angle of the blades are particular of the required measuring accuracy, the measuring span and the maximum permissible Pressure loss dependent.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems wird vorgeschlagen, dass jeweils mindestens eine strömungsführende Vorrichtung in Strömungsrichtung vor und nach der Ebene des Signalpfads positioniert ist. Der Signalpfad befindet sich dann komplett zwischen zwei strömungsführenden Vorrichtungen. Eine solche Anordnung ermöglicht beispielsweise einen bidirektionalen Messbetrieb und entfernt die für die Messung erzeugten Umfangskomponenten wieder.According to a further advantageous embodiment of the measuring system according to the invention is presented suggest that in each case at least one flow-guiding device is positioned in the flow direction before and after the plane of the signal path. The signal path is then completely between two flow-conducting devices. Such an arrangement allows, for example, a bidirectional measuring operation and removes the peripheral components generated for the measurement again.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems weist das Messrohr mindestens eine Schallreflexionsfläche auf. Mit Hilfe der Schallreflexionsfläche wird das Ultraschallsignal in einer bestimmten Art und Weise, insbesondere in einer bestimmten Richtung, reflektiert. Dadurch lässt sich ein längerer Signalpfad realisieren als bei einem sich direkt gegenüberliegenden Ultraschallwandlerpaar.According to one further advantageous embodiment of the invention Measuring system, the measuring tube has at least one sound reflection surface on. With the help of the sound reflection surface is the ultrasonic signal in a certain way, especially in a particular one Direction, reflected. This can be a longer one Signal path realize as in a directly opposite Ultrasonic transducer pair.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mittels des Laufzeitdifferenz-Prinzips, mit mindestens zwei Ultraschallwandlern, welche Messsignale aussenden und/oder empfangen, wobei sich die Messsignale auf zumindest einem Signalpfad im Innern des Messrohrs ausbreiten, wobei zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz im Wesentlichen mindestens eine Strömungskomponente des Messmediums quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr genutzt wird.A Another solution to the problem underlying the invention consists in a method of determination and / or monitoring a flow of a medium through a measuring tube by means of the transit time difference principle, with at least two ultrasonic transducers, which transmit and / or receive measurement signals, wherein the Measuring signals on at least one signal path in the interior of the measuring tube extend, wherein for determining a transit time difference substantially at least one flow component of the medium to be measured transversely to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube is being used.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das im Messrohr strömende Messmedium eine im Wesentlichen rohrachsensymmetrische Rotation besitzt. Dann wird zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz im Wesentlichen mindestens eine Strömungskomponente des Messmediums in Umfangsrichtung des Messrohrs genutzt.A advantageous embodiment of the invention Procedure is that the flowing in the measuring tube Measuring medium a substantially Rohrachsensymmetrische rotation has. Then, to determine a transit time difference substantially at least one flow component of the measuring medium in Circumferential direction of the measuring tube used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Strömungskomponente des Messmediums quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr oder die Umfangskomponente bzw. die im Wesentlichen rohrachsensymmetrische Rotation von einer strömungsführenden Vorrichtung erzeugt.According to one further advantageous embodiment of the invention The method becomes the flow component of the medium to be measured transverse to the main flow direction of the medium in the measuring tube or the peripheral component or the substantially tube-symmetrical Rotation of a flow device generated.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The The invention will be explained in more detail with reference to the following figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Messpfadanordnung eines konventionellen Ultraschall-Inline-Durchflusszählers, 1 shows a schematic representation of the measuring path arrangement of a conventional ultrasonic in-line flow meter,

2 zeigt eine schematische Darstellung der Messpfadanordnung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Inline-Durchflusszählers, 2 shows a schematic representation of the measuring path arrangement of an ultrasonic in-line flow meter according to the invention,

3 zeigt die schematische Seitenansicht einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen strömungsführenden Vorrichtung, 3 shows the schematic side view of a first embodiment of a flow-guiding device according to the invention,

4 zeigt die schematische Seitenansicht einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen strömungsführenden Vorrichtung, 4 shows the schematic side view of a second embodiment of a flow-guiding device according to the invention,

5 zeigt die schematische Seitenansicht einer dritten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen strömungsführenden Vorrichtung, 5 shows the schematic side view of a third embodiment of a flow-guiding device according to the invention,

6 zeigt die schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs für bidirektionalen Betrieb, 6 shows the schematic side view of an embodiment of a measuring tube according to the invention for bidirectional operation,

7 zeigt die schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs für bidirektionalen Betrieb mit Querschnittseinschnürung, 7 shows the schematic side view of an embodiment of a measuring tube according to the invention for bidirectional operation with Querschnittsseinschnürung,

8 zeigt Beispiele verschiedener Messpfadanordnungen, 8th shows examples of different measuring path arrangements,

9 zeigt Vorderansicht und die schematische Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen strömungsführenden Vorrichtung, 9 shows front view and the schematic side view of a further embodiment of a flow-guiding device according to the invention,

10 zeigt weitere Beispiele verschiedener Messpfadanordnungen, 10 shows further examples of different measuring path arrangements,

11 zeigt die schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen strömungsführenden Vorrichtung mit rechteckigem Querschnitt, 11 shows the schematic side view of an embodiment of a flow-guiding device according to the invention with a rectangular cross-section,

12 zeigt eine zur Rohrachse geneigte Messebene, 12 shows a plane inclined to the tube axis measurement plane,

13 zeigt die schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs mit einer Messebene, 13 shows the schematic side view of an embodiment of a measuring tube according to the invention with a measuring plane,

14 zeigt die schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs mit zwei Messebenen. 14 shows the schematic side view of an embodiment of a measuring tube according to the invention with two measuring planes.

In 1 ist ein Messrohr mit zwei Ultraschallwandlerpaaren dargestellt, welche sich unter einem Winkel α zur Messrohrachse geneigt, direkt gegenüberstehen. Dies ist die typische Anordnung in einem konventionellen Ultraschall-Inline-Durchflusszähler. U_flow kennzeichnet den Geschwindigkeitsvektor der Strömung. Die Hauptströmungsrichtung verläuft entlang der Rohrachse.In 1 is a measuring tube with two pairs of ultrasonic transducer shown, which are inclined at an angle α to the measuring tube axis, directly opposite. This is the typical arrangement in a conventional ultrasonic in-line flow meter. U _flow indicates the velocity vector of the flow. The main flow direction is along the pipe axis.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Messpfadanordnung zweier Ultraschallwandlerpaare senkrecht zur Messrohrachse 8. Jeweils zwei Ultraschallwandler 5 stehen sich auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs 8 direkt gegenüber und bilden somit ein Wandlerpaar. Die Strömung in dem Messrohr 8 rotiert erfindungsgemäß um die Messrohrachse 8. Die Vorrichtung, welche der Strömung den Drall versetzt hat, ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Durch die Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, die sogenannten Umfangskomponenten, lässt sich, mittels des Laufzeitdifferenzverfahrens zwischen einem Wandlerpaar, der Durchfluss bestimmen. 2 shows a Meßpfadanordnung invention of two pairs of ultrasonic transducer perpendicular to the measuring tube axis 8th , Two ultrasonic transducers each 5 stand on opposite sides of the measuring tube 8th directly opposite and thus form a pair of transducers. The flow in the measuring tube 8th rotates according to the invention around the measuring tube axis 8th , The device, which has offset the flow of the swirl, is not shown for clarity. By means of the velocity components perpendicular to the main flow direction, the so-called peripheral components, the flow can be determined by means of the transit time difference method between a pair of transducers.

Aufgrund der Strömungsumlenkung, durch die nicht gezeigte strömungsführende Vorrichtung, erhält die Rohrströmung eine mit dem Rohrradius zunehmende Querkomponente in Umfangsrichtung 7. Dies hat zur Folge, dass der oder die Messpfade 6 nicht mehr gegen den Messquerschnitt gekippt werden müssen, um einen Messeffekt zu erzielen, sondern senkrecht zur Rohrachse 8 (α = 0°) angeordnet werden können.Due to the flow deflection, by the flow-guiding device, not shown, receives the pipe flow increasing with the pipe radius transverse component in the circumferential direction 7 , This has the consequence that the one or more measuring paths 6 no longer have to be tilted against the measuring cross section in order to achieve a measuring effect, but perpendicular to the tube axis 8th (α = 0 °) can be arranged.

Daraus ergeben sich zum einen kompakte Abmessungen bei der Messgerätebaulänge, insbesondere bei großen Nennweiten, d. h. durch die Anordnung des akustischen Messpfades 6 im Wesentlichen senkrecht zur Rohrachse ist eine wesentlich kompaktere Gesamtbaulänge realisierbar. Zum anderen stellt die Strömungsumlenkung eine Strömungskonditionierung dar, die das Messgerät robuster gegen ungleichmäßige Anströmung werden lässt, d. h. es mit geringerer Messwertabweichung reagieren lässt.On the one hand, this results in compact dimensions in the length of the measuring device, in particular in the case of large nominal widths, that is, by the arrangement of the acoustic measuring path 6 essentially perpendicular to the tube axis is a much more compact overall length feasible. On the other hand, the flow deflection is a flow conditioning, which makes the meter more robust against uneven flow, that is, it reacts with less deviation in the measured value.

Um bei dieser Strömungsform im Messquerschnitt einen möglichst großen Messeffekt zu erzielen, muss der Schall einen möglichst langen Weg in Umfangsrichtung zurücklegen. Hieraus leiten sich Messpfadanordnungen mit ein oder mehreren Reflektionen an der Messrohrinnenwand bzw. an Schallreflektionsflächen 10 an der Messrohrinnenwand ab, wie sie in 8 und 10 dargestellt sind.In order to achieve the largest possible measuring effect in the flow cross-section of this flow pattern, the sound has to travel as far as possible in the circumferential direction. From this, measuring path arrangements with one or more reflections are guided on the measuring tube inner wall or on sound reflecting surfaces 10 on the measuring tube inner wall, as in 8th and 10 are shown.

In 3 ist eine strömungsführende Vorrichtung 3 in einem Messrohr 2 zu sehen. Sie hat die Form einer Propellerschaufel. Durch sie wird bereichsweise eine Strömungskomponente in Umfangsrichtung 7 des Messrohrs 2 eingebracht bzw. der Strömung eine Querkomponente senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 durch das Messrohr 2 aufgezwungen. Eine Strömungskomponente in Umfangrichtung 7 ist nicht gleichbedeutend mit einer Strömung quer zur Rohrachse 8. Das im Wesentlichen längs der Rohrachse 8 strömende Messmedium 4 erhält durch die gekrümmte Propellerschaufel einen Impuls in Umfangsrichtung und hat anschließend einen veränderten Strömungsverlauf, welcher durch einen Geschwindigkeitsvektor 11 veranschaulicht ist. Der Signalpfad 6 des Ultraschallsignals liegt in diesem Bereich. Das Ultraschallsignal auf dem Signalpfad 6 zwischen zwei Ultraschallwandlern 5 steht nicht senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor der Strömung 11, und der Signalpfad 6 führt nicht durch die Messrohrachse 8 selbst.In 3 is a flow device 3 in a measuring tube 2 to see. It has the shape of a propeller shovel. Through it is partially a flow component in the circumferential direction 7 of the measuring tube 2 introduced or the flow is a transverse component perpendicular to the main flow direction of the measured medium 4 through the measuring tube 2 imposed. A flow component in the circumferential direction 7 is not synonymous with a flow across the pipe axis 8th , This is essentially along the tube axis 8th flowing medium 4 receives by the curved propeller blade a pulse in the circumferential direction and then has an altered flow path, which by a velocity vector 11 is illustrated. The signal path 6 the ultrasonic signal is in this range. The ultrasonic signal on the signal path 6 between two ultrasonic transducers 5 is not perpendicular to the velocity vector of the flow 11 , and the signal path 6 does not lead through the measuring tube axis 8th even.

Die 4 und 5 zeigen weiter Ausführungsbeispiele einer propellerförmigen Vorrichtung zur Strömungsführung 3. Dargestellt sind anströmseitig in das Messrohr 2 eingesetzte strömungsführende Vorrichtungen 3, die die ankommende Strömung mit einer rohrachsensymmetrischen Rotation, einem sog. Drall, versieht. Diese Vorrichtung 3 besteht im Wesentlichen aus fest im durchströmten Rohrquerschnitt verankerten Leitwänden bzw. -schaufeln, die in Durchflussrichtung so geformt sind, dass es zu einer Strömungsumlenkung um die Rohrachse kommt. Aufgrund einer moderaten Strömungsumlenkung durch die Leitschaufeln werden weit geringere Druckverluste hervorgerufen als beispielsweise bei einer vollständigen Strömungsumgestaltung über den gesamten Rohrquerschnitt. Die relativ kurzen Leitschaufeln ermöglichen eine sehr kompakte Gesamtbaulänge des Messgeräts.The 4 and 5 show further embodiments of a propeller-shaped device for flow guidance 3 , Shown are upstream in the measuring tube 2 used flow-leading devices 3 which provides the incoming flow with a tube-axis symmetric rotation, a so-called spin. This device 3 consists essentially of firmly anchored in the flow-through pipe cross-section baffles or blades, which are shaped in the flow direction so that there is a flow deflection around the tube axis. Due to a moderate flow deflection through the guide vanes, much lower pressure losses are caused than, for example, a complete flow transformation over the entire pipe cross-section. The relatively short vanes allow a very compact overall length of the meter.

6 und 7 stellt jeweils ein Messrohr 2 mit beidseitig angebrachten propellerförmigen, strömungsführenden Vorrichtungen 3 dar. Für den bidirektionalen Betrieb wird die identisch geformte drallerzeugende Geometrie, also ein kostengünstiges Gleichteil, hinter dem Messquerschnitt, also der Ebene des Signalpfads 6 platziert, sodass sich bei Rückströmung ein Drall mit entgegen gesetztem Drehsinn einstellt. Damit ergeben sich negative Laufzeitdifferenzen, die die Rückströmung ohne weiteren technischen Aufwand kenntlich machen. 6 and 7 each represents a measuring tube 2 with double-sided propeller-shaped, flow-leading devices 3 For bidirectional operation, the identically shaped swirl generator ing geometry, ie a cost equal part, behind the measuring cross-section, so the level of the signal path 6 placed so that upon reverse flow, a twist sets in the opposite direction of rotation. This results in negative runtime differences, which make the return flow without further technical effort.

Besonders interessant ist die Variante der bidirektionalen, also einer einlass- und auslassseitigen Durchströmung der strömungsführenden Vorrichtung 3 mit gleichzeitiger Querschnittsverengung 9 zum Messquerschnitt hin, wie sie in 7 offenbart ist, weil sich damit eine der wichtigsten Anforderungen aus dem Anwendungsfeld der (Trink-)Wasserdurchflussmessung erfüllen lässt, nämlich das Messen und/oder Erfassen von sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten im mm/s-Bereich.Particularly interesting is the variant of the bidirectional, ie an inlet and outlet flow through the flow-guiding device 3 with simultaneous cross-sectional constriction 9 towards the measuring cross section, as in 7 is disclosed because it can meet one of the most important requirements from the field of application of (drinking) water flow measurement, namely the measurement and / or detection of very small flow velocities in mm / s range.

Die Querschnittsverengung 9 sorgt aufgrund der Massenkontinuität dafür, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Messquerschnitt um den Betrag zunimmt, um den sich die Querschnittsfläche verringert:

The cross-sectional constriction 9 Due to the mass continuity, the mean flow velocity in the measuring cross-section increases by the amount by which the cross-sectional area decreases:

Gleichzeitig nimmt die Rotationsgeschwindigkeit der Strömung aufgrund der Drehimpulserhaltung zu: L = J·ω = konst.,mit L als dem Drehimpuls, dem Trägheitsmoment des rotierenden Wassers J und der Winkelgeschwindigkeit ω. Dieser Zusammenhang ist auch bekannt als Pirouetteneffekt. Aus L = konst. folgt:

At the same time, the rotational velocity of the flow increases due to the angular momentum conservation: L = J · ω = const., with L as the angular momentum, the moment of inertia of the rotating water J and the angular velocity ω. This relationship is also known as pirouette effect. From L = const. Follows:

Nun lässt sich das Trägheitsmoment der in Rotation versetzten Rohrströmung näherungsweise als rotierenden Vollzylinder mit der Masse m und dem Radius r betrachten:

Now, the moment of inertia of the rotated pipe flow can be considered approximately as a rotating solid cylinder with the mass m and the radius r:

Damit ergibt sich schließlich der Zusammenhang zw. Winkelgeschwindigkeit und Radius der Rohrleitung R:

This finally results in the relationship between the angular velocity and the radius of the pipe R:

Also würde sich beispielsweise für eine Reduzierung des Rohrradius um den Faktor 1.41 (von z. B. 100 mm auf 71 mm) die Fläche um den Faktor 2 reduzieren und somit die mittlere Strömungsgeschwindigkeit verdoppeln. Gleichzeit nähme die Winkelgeschwindigkeit gemäß der letztgenannten Gleichung um den Faktor 2 zu. Berücksichtigt man eine Abnahme der Messpfadlänge um ebenfalls den Faktor 1.41, ergibt sich eine Gesamterhöhung des Meßeffektes um 1.41. Gleichzeitig kommen die für eine kontinuierlichen Rohrquerschnittsverengung maßgeblichen Strömungseffekte zum tragen (Ausgleich von Geschwindigkeitsunterschieden im Strömungsprofil und Reduzierung von turbulenten Fluktuationen im Verhältnis zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit).So For example, would be for a reduction the pipe radius by a factor of 1.41 (from eg 100 mm to 71 mm) Reduce area by a factor of 2 and thus reduce the mean Double flow rate. Simultaneous take the angular velocity according to the latter Equation by a factor of 2. Considering a decrease the measuring path length also by a factor of 1.41 an overall increase of the measuring effect by 1.41. At the same time they come for a continuous tube cross-sectional narrowing significant flow effects (compensation of speed differences in the airfoil and Reduction of turbulent fluctuations in ratio to the average flow velocity).

Aufgrund der Querschnittsverengung käme es zu einem zusätzlichen Druckverlust. Dieser hält sich jedoch aufgrund der gezielten Strömungsführung und der Druckrückgewinnung hinter dem Messquerschnitt in Grenzen. Außerdem sind bei Trinkwasser-Durchflussmessanwendungen Druckverluste in der Größenordnung von ca. 0.3 bar bei Q_Nenn, wie sie typischerweise bei Woltmannzählern auftreten, zulässig.Due to the cross-sectional constriction, there would be an additional pressure loss. However, this is limited due to the targeted flow guidance and the pressure recovery behind the measuring cross section. In addition, in drinking water flow measuring applications pressure losses of the order of about 0.3 bar at Q _nominal , as typically occur in Woltmann counters, are allowed.

8a und 8b zeigen Messpfadanordnungen mit ein oder mehreren Reflektionen an Schallreflexionsflächen 10, welche an der Messrohrinnenwand angebracht sind. Auch die Messrohrinnenwand selbst kann eine Schallrelexionsfläche 10 bilden. Allerdings sind gekrümmte Flächen nur bedingt zu einer definierten, schmalen Reflektion geeignet. Vorteilhaft ist daher ein Messrohr 2 aus einem schallabsorbierenden Material, wie z. B. Kunststoff, und ebene Flächen, beispielsweise aus Metall, welche den Schall annähernd ohne Intensitätsverlust total reflektieren. Durch den verlängerten Signalpfad 6 wird der Messquerschnitt in vorgegebener Art und Weise durchschallt, sodass sich ein größerer Messeffekt erzielen lässt. 8a and 8b show measuring path arrangements with one or more reflections on sound reflection surfaces 10 , which are attached to the measuring tube inner wall. The measuring tube inner wall itself can also have a sound reflection surface 10 form. However, curved surfaces are only partially suitable for a defined, narrow reflection. Therefore, a measuring tube is advantageous 2 from a sound absorbing material, such. As plastic, and flat surfaces, such as metal, which totally reflect the sound almost without loss of intensity. Due to the extended signal path 6 is the measuring cross section in a predetermined Sounds through the way, so that a larger measuring effect can be achieved.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnungen besteht darin, dass im einfachsten Fall ein einzelnes Ultraschallwandlerpaar ausreicht, um bereits einen großen Bereich des Messquerschnitts abzudecken. Gleichzeitig ist es möglich, die Messgenauigkeit bzw. die Messredundanz durch weitere Ultraschallwandlerpaare zu erhöhen, ohne die Baulänge zu verändern, wie in 8c und 8d gezeigt.A particular advantage of these arrangements is that in the simplest case a single ultrasonic transducer pair is sufficient to cover already a large area of the measuring cross section. At the same time it is possible to increase the measuring accuracy or the measurement redundancy by further pairs of ultrasonic transducers without changing the overall length, as in 8c and 8d shown.

10 zeigt eine analoge Messpfadanordnung, die besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer turbinenförmigen strömungsführenden Vorrichtung 3 eingesetzt werden kann, welche einen rohrachsensymmetrischen Verdrängerkörper 12 in der Mitte der Leitschaufeln aufweist, wie er in 9 in anderer Art und Weise dargestellt ist. 10 shows an analog measuring path arrangement, which is particularly advantageous in connection with a turbine-shaped flow-guiding device 3 can be used, which a Rohrachsensymmetrischen displacement 12 in the middle of the vanes, as in 9 is shown in another way.

Weitere Varianten der Strömungsführung, wie z. B. eine einseitige, insbesondere einlassseitige, Durchströmung der strömungsführenden Vorrichtung mit gleichzeitiger Querschnittsverengung zum Messquerschnitt hin oder eine Drallerzeugung außerhalb des Messrohrs mit Hilfe eines Einlaufrohrstücks, in welches die drallerzeugende Geometrie integriert ist, in diesem Fall könnte beispielsweise ein konventioneller, insbesondere Zweipfad-, Ultraschalldurchflusszähler zum Einsatz kommen, sind nicht näher ausgeführt. Letztere Variante ist sehr interessant, da die erfindungsgemäße Strömungskonditionierung effektiver ist als bei konventionellen Lochplatten- oder Rohrbündelgleichrichtern, bei gleichzeitig geringerem Druckverlust. Auch der Variantenzahl der Messpfadgestaltung bzw. -anordnung sind kaum Grenzen gesetzt. So sind ein oder mehrere Ultraschallwandlerpaare mit oder ohne Reflektionen in ihren Signalpfaden denkbar. Vorteilhaft sind Signalpfade, bei denen die Ultraschallwandler leicht axial versetzt angeordnet sind. Hierbei ergibt sich aufgrund des leichten Winkels zur Rohrachsensenkrechten eine Vergrößerung des Messeffektes.Further Variants of flow guidance, such. Legs one-sided, in particular inlet-side, flow the flow-guiding device with simultaneous Cross-sectional constriction towards the measuring cross-section or swirl generation outside the measuring tube with the help of an inlet pipe section, in which the spin-generating geometry is integrated, in this Case could be, for example, a conventional, in particular Two-path, ultrasonic flow meters are used are not specified. The latter variant is very interesting because the inventive Flow conditioning is more effective than conventional Perforated plate or tube bundle rectifiers, at the same time lower pressure loss. Also the number of variants of the measuring path design or arrangement are virtually unlimited. So are one or more Ultrasonic transducer pairs with or without reflections in their signal paths conceivable. Advantageous are signal paths in which the ultrasonic transducers are arranged slightly offset axially. This is due to of the slight angle to the Rohrachsensenkrechte an enlargement of the measuring effect.

Für alle Messpfadanordnungen, die hinter einer Strömungsumlenkung im Umfangsrichtung zum Einsatz kommen, ist zu beachten, dass sie vorzugsweise nicht durch die Rohrachse verlaufen, da in diesem Fall die in Umfangsrichtung verlaufenden Rotationskomponenten entlang des gesamten Messpfades senkrecht zum Messpfad stehen, also der Messeffekt gleich Null ist.For all measuring path arrangements behind a flow deflection be used in the circumferential direction, it should be noted that they preferably not through the tube axis, since in this case the circumferentially extending rotational components along the entire measuring path are perpendicular to the measuring path, so the measurement effect is equal to zero.

Von Vorteil für einen stabilen und druckverlustarmen Messbetrieb ist weiterhin das Vermeiden von Strömungsablösungen am Austritt der Strömung aus den einlassseitigen Leitschaufeln über den gesamten spezifizierten Messbereich.From Advantage for a stable and low pressure loss measuring operation is also the avoidance of flow separation at the exit of the flow from the inlet side vanes the entire specified measuring range.

Die 11 zeigt strömungsführende Vorrichtungen 3 in einem Messrohr 2 mit rechteckigem Querschnitt. Auch hier ist eine Querschnittsverengung 9 mit Leitschaufeln 3 kombiniert.The 11 shows flow-leading devices 3 in a measuring tube 2 with rectangular cross section. Again, a cross-sectional constriction 9 with vanes 3 combined.

12 zeigt eine zur Rohrachse 8 geneigte Messebene, bestehend aus einem Sensorpaar 5 und einem Signalpfad 6 zwischen den Sensoren 5 mit drei definierten Reflektionen mit einem eigens dafür an der Messrohrwand angebrachten Reflektor 10. 12 shows one to the tube axis 8th inclined measuring plane, consisting of a sensor pair 5 and a signal path 6 between the sensors 5 with three defined reflections with a reflector attached to the measuring tube wall 10 ,

13 zeigt ein Messrohr mit Verdrängerkörper 12 und Umlenkgitter 3 mit einer zur Rohrachse 8 senkrecht stehenden akustischen Messebene, gebildet aus einem Sensorpaar 5 und fünf definierten Reflektionen. 13 shows a measuring tube with displacer 12 and deflector 3 with one to the tube axis 8th perpendicular acoustic measuring plane, formed from a pair of sensors 5 and five defined reflections.

In 14 ist das Messrohr mit Verdrängerkörper 12 und Umlenkgitter 3 wie zuvor dargestellt, jedoch hier mit zwei zur Rohrachse 8 senkrechten, axial versetzten Messebenen. Jeweils ein Signalpfad 6 mit fünf definierten Reflektionen zwischen einem Sensorpaar spannt eine Messebene auf. Die zweite Messebene erzeugt Redundanz und erhöht die Messgenauigkeit.In 14 is the measuring tube with displacer 12 and deflector 3 as previously shown, but here with two to the tube axis 8th vertical, axially offset measurement planes. One signal path each 6 with five defined reflections between a sensor pair spans a measuring plane. The second measurement level creates redundancy and increases measurement accuracy.

11: Messsystemmeasuring system
22: Messrohrmeasuring tube
33: Strömungsführende VorrichtungLeading flow contraption
44: Messmediummeasuring medium
55: Ultraschallwandlerultrasound transducer
66: Signalpfadsignal path
77: Strömungskomponente in Umfangsrichtungflow component in the circumferential direction
88th: MessrohrachseMeasuring tube axis
99: QuerschnittsverengungCross-sectional narrowing
1010: SchallreflexionsflächeSound-reflecting surface
1111: Geschwindigkeitsvektor der Strömungvelocity vector the flow
1212: Verdrängerkörperdisplacement

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 686255 B [0008]
- US 4484478 A [0008]
- US 4598593 A [0008]
- US 5052230 A [0009]
US 3940985 [0015]
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EP 1775560 [0020]
- GB 2238615 A [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- "ALTOSONIC V ultrasonic flowmeter" from 04/2004, p. 3 [0017]

Claims

Measuring system ( 1 ) for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium ( 4 ) through a measuring tube ( 2 ) with at least one ultrasonic transducer ( 5 ) which transmits and / or receives measurement signals, the measurement signals being present on at least one signal path ( 6 ) in the interior of the measuring tube ( 2 ) propagate substantially in one plane, and with at least one control / evaluation unit which, based on the measurement signals or on the basis of measurement data derived from the measurement signals, determines the volume flow and / or the mass flow in the measurement tube (FIG. 2 ) flowing measuring medium ( 4 ), characterized in that the measuring system ( 1 ) at least one flow-guiding device ( 3 ), which is designed such that the measuring medium ( 4 ) at least one flow component transverse to the main flow direction ( 7 ) of the measuring medium ( 4 ) in the measuring tube ( 2 ) in at least a partial volume of the measuring tube ( 2 ) and the plane in which the at least one signal path ( 6 ) runs substantially, at least partially in this sub-volume of the measuring tube ( 2 ) lies.

Measuring system according to claim 1, characterized in that the plane in which the signal path ( 6 ) is at an angle greater than 60 ° to the main flow direction ( 7 ) of the measuring medium ( 4 ) in the measuring tube ( 2 ) of the measuring medium ( 4 ) stands.

Measuring system according to one of claims 1 or 2, characterized in that the signal path ( 6 ) outside the measuring tube axis ( 8th ) runs.

Measuring system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the signal path ( 6 ) in a part of the measuring tube ( 2 ), which part of the measuring tube ( 2 ) a smaller cross section ( 9 ), as a flow direction before and / or after lying part of the measuring tube ( 2 ).

Measuring system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flow-guiding device ( 3 ) in the measuring tube ( 2 ) flowing measuring medium ( 4 ) is placed in a substantially tube-symmetrical rotation.

Measuring system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flow-guiding device ( 3 ) is propeller-shaped or turbine-shaped.

Measuring system according to one of claims 1 to 6, characterized in that in each case at least one flow-guiding device ( 3 ) in the flow direction before and after the plane of the signal path ( 6 ) is positioned.

Measuring system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring tube ( 2 ) at least one sound reflection surface ( 10 ) having.

Duration difference method for determining and / or monitoring a flow of a measuring medium ( 4 ) through a measuring tube ( 2 ), with at least two ultrasonic transducers ( 5 ), which transmit and / or receive measurement signals, wherein the measurement signals on at least one signal path ( 6 ) in the interior of the measuring tube ( 2 ), characterized in that for determining a transit time difference substantially at least one flow component of the measuring medium ( 4 ) transversely to the main flow direction of the measuring medium ( 4 ) in the measuring tube ( 2 ) is being used.

Duration difference method according to claim 9, characterized in that in the measuring tube ( 2 ) flowing measuring medium ( 4 ) has a substantially tube-symmetric rotation.

Duration difference method according to one of claims 9 or 10, characterized in that the flow component of the measuring medium ( 4 ) transversely to the main flow direction of the measuring medium ( 4 ) in the measuring tube ( 2 ) or the substantially tube-symmetric rotation is generated by a flow-guiding device.