DE112005001773T5

DE112005001773T5 - Verfahren zum Eichen akustischer Durchflussmesser

Info

Publication number: DE112005001773T5
Application number: DE112005001773T
Authority: DE
Inventors: Timothy A. Saline Nevius
Original assignee: Horiba Instruments Inc
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: GB2430261A; GB0700762D0; GB2430261B; US7124621B2; JP4724714B2; WO2006019487A3; WO2006019487A2; US20060016243A1; DE112005001773B4; JP2008507693A

Abstract

Verfahren zur Eichung bzw. Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers, das Änderungen der Messwandlerzeitverzögerung kompensiert, wobei der Durchflussmesser umfasst einen ersten akustischen Messwandler und einen zweiten akustischen Messwandler, die derart angeordnet sind, dass sie einen Weg durch eine Leitung definieren, der die Leitung unter einem Winkel kreuzt, wobei die Geschwindigkeit eines durch die Leitung strömenden Fluids bestimmt ist durch den Weg, die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung, und die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, und wobei die Bestimmung einer Durchgangszeit die Zeitverzögerung des Messwandlers berücksichtigt, mit den folgenden Schritten:
Generierung einer groben Durchgangszeit für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung und einer groben Durchgangszeit für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, wobei das Fluid mit einer bekannten Geschwindigkeit durch die Leitung strömt, und zwar bei eine Mehrzahl von verschiedenen Fluidtemperaturen für jede Temperatur;
Schätzung einer Weglänge und einer Messwandlerzeitverzögerung auf der Basis...

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
1. Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft akustische Durchflussmesser einschließlich Ultraschall-Durchflussmesser, die zur Messung der Geschwindigkeit von Abgas verwendet werden.
2. Stand der Technik
Das Senden von Pulsen akustischer Energie durch ein Fluid ist zur Messung des Zustands und der Eigenschaften des Fluids von Nutzen, speziell zur Messung der Geschwindigkeit und der Temperatur. Gewöhnlich werden piezokeramische Elemente bei akustischen Messwandlern dazu verwendet, Ultraschallakustikpulse oder kontinuierliche Ultraschallwellenfelder zu erzeugen.
Der Ultraschalldurchflussmesser misst die Geschwindigkeit des strömenden Abgases unter Verwendung der Beziehung: (1/T1 – 1/t2) = 2·V·cosΦ/Lworin

T1: = die Ultraschall-Pulsdurchgangszeit stromaufwärts;
T2: = die Ultraschall-Pulsdurchgangszeit stromabwärts;
V: = die Geschwindigkeit des Abgases durch das Rohr;
Φ: = der Winkel zwischen dem Ultraschallstrahl und dem Rohr; und
L: = die Weglänge des Ultraschallstrahls zwischen dem Sender und dem Empfangsmesswandler ist.

Die Durchgangszeit (i. e. T1 und T2) wird durch das Senden eines Ultraschallpulses quer durch das Rohr gemessen, sowie durch das Messen des Zeitdifferentials (i. e. Durchgangszeit) für den am Empfangsmesswandler festzustellenden Puls. Bei einer Gasdurchflussgeschwindigkeit von 0 ft/s ergibt sich eine typische Durchgangszeit von etwa 220 μs bei einer Weglänge von 3,1 Zoll. Bei maximalem Durchfluss beträgt die Gasgeschwindigkeit etwa 150 ft/s mit einer etwa 256 μs messenden resultierenden Durchgangszeit stromaufwärts, und einer etwa 34 μs messenden Durchgangszeit stromabwärts.
Die gemessenen Durchgangszeiten werden von der Temperatur des Gases beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeit in Luft ändert sich mit der Temperatur unter Verwendung der Beziehung: C = 20,03·(Tgas)1/2 worin

C: = die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde; und
T_gas: = die absolute Gastemperatur in Kelvin ist.

Bei Raumtemperatur beträgt T_gas 298 K und C entspricht 345 m/s oder 1135 ft/s. Bei einer hohen Gastemperatur von 425°C beträgt T_gas 698 K und C entspricht 529 m/s oder 1736 ft/s.
Wenn der Ultraschalldurchflussmesser bei einer Gastemperatur von 298 K geeicht bzw. kalibriert wird, dann wird die Gasgeschwindigkeit berechnet durch die Beziehung: V = (1/T1 – 1/T2)·L/(2·cosΦ).
Wird die Gastemperatur auf 698 K erhöht, dann stellen wir fest, dass diese Geschwindigkeitsbeziehung gegenüber der wahren Gasgeschwindigkeit um 5% bis 10% abweicht.
Zusätzliche Hintergrundinformation kann gefunden werden in den U.S.Patenten Nr. 5,756,360; 4,336,719; 5,217,018; 5,159,838; 6,343,511; 5,241,287; 4,743,870; 5,438,999; 4,297,607; und 6,307,302.
Aus den vorstehenden Gründen besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Eichung eines akustischen Durchflussmessers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Eichung eines akustischen Durchflussmessers zu schaffen.
Die Erfindung richtet sich an die Änderung der Verzögerungszeit eines Ultraschallmesswandlers mit ansteigender Temperatur, das heißt T1_gemessen = T1 – T_Messwandler. Der Ultraschallpuls braucht üblicherweise etwa 12 μs, um sich in einer bei 298 K getesteten Anordnung durch den Messwandler, angeschlossene elektronische Messverstärker und Koaxialkabel fortzupflanzen. Die Erfindung berücksichtigt, dass sich diese Verzögerungszeit mit der Temperatur ändert.
Die Erfindung involviert Aspekte der Eichung des Ultraschalldurchflussmessers. Im weiteren Sinne richten sich diese Aspekte auf die Änderungen der Verzögerungszeit bei Änderungen der Temperatur. Gemäß einem Gesichtspunkt werden die Kalibrierung der Weglänge zwischen sendendem und empfangendem Messwandler und die Kalibrierung der Messwandler-Verzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich optimiert. Gemäß einem anderen Gesichtspunkt wird der Durchflussmesserausgang temperaturkompensiert auf der Grundlage der Gastemperatur des Durchflussmessers (über die typische 1/T Dichtekompensation hinaus). Diese beiden genannten Gesichtspunkte können bei einem Ultraschalldurchflussmesser gemäß der Erfindung individuell oder in Kombination verwirklicht sein. Eingeschlossene Verfahren lassen sich bei verschiedenen Anwendungen benutzen, die einen akustischen Durchflussmesser brauchen, beispielsweise in einem Probensystem für Abgase.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Miniverdünnungsprobensystem mit Beuteln nach der Erfindung;
2 zeigt den Durchflussmesser in dem System nach 1;
3 ist ein Diagramm, das gemäß einem Aspekt der Erfindung Schallgeschwindigkeitsfehler bei optimierter Kalibrierung der Weglänge und Messwandlerverzögerungszeit darstellt; und
4 ist ein Diagramm, das den gemessenen Volumenfehler darstellt, der gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung durch Temperaturkompensation korrigiert wird.
EINZELBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt bei 10 ein Beutel-Miniverdünner-Probenentnahmesystem. Das Probenentnahmesystem 10 umfaßt eine Hauptleitung mit einem Einlass 12 zur Aufnahme von Abgas. Ein Durchflussmesser 14 misst den Fluiddurchfluss durch die Hauptleitung und das Gesamtabgasvolumen wird akkumuliert. Der Durchflussmesser 14 erzeugt ein direktes Abgasdurchfluss-Messsignal und ist gemäß der Erfindung kalibriert bzw. geeicht. In Abhängigkeit von der Ausführung kann ein Gebläse 16 den Fluiddurchfluss durch die Leitung fördern.
Eine Probenentnahmeleitung 18 entnimmt der Hauptleitung Proben. Ein Verdünnungseinlass 20 empfängt ein Verdünnungsgas. Eine stationäre Durchflussüberwachung 22 und eine stationäre Durchflussüberwachung 24 (Massendurchflusssteuerungen oder kritische Durchflussventuris) überwachen jeweils den Durchfluss des Verdünnungsgases und des probeentnommenen bzw. gesampelten Abgases, um ein generell fixiertes Verhältnis im Mischbereich zu schaffen. Eine Pumpe 26 pumpt die Mischung aus Verdünnungsgas und Abgasprobe für ein mögliches Sammeln in Beuteln 32. Eine proportionale Durchflusseinrichtung 28 sorgt für einen Zufluss zu den probensammelnden Beuteln 32, der dem Durchfluss durch die Hauptleitung proportional ist. Dementsprechend ist ein Bypass 30 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß etwas von der Mischung an den Sammlern vorbeifließt.
2 verdeutlicht den Durchflussmesser 14 detaillierter und zeigt ein Paar akustischer Messwandler 40, die einander gegenüberliegend quer über die Leitung angeordnet sind. Der Durchflussmesser 14 kann in jedweder geeigneten Weise hergestellt sein, ebenso wie die Messwandler 40. Somit bezieht sich die Erfindung auf Gesichtspunkte der Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers und wird in der Eichung eines Paars von Ultraschalldurchflussmessern in einem Probenentnahmesystem exemplifiziert.
Gemäß der Erfindung werden die Kalibrierung der Weglänge zwischen dem sendenden und dem empfangenden Messwandler und die Kalibrierung der Messwandlerverzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich optimiert. Ferner wird gemäß der Erfindung der Durchflussmesserausgang temperaturkompensiert, und zwar auf der Basis der Abgastemperatur des Durchflussmessers (über die typische 1/T Dichtekompensation hinaus). Diese zwei Aspekte können im Ultraschalldurchflussmesser individuell oder in Kombination verkörpert sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden diese beiden Aspekte in Kombination verwendet, wie unten näher beschrieben.
Die bevorzugte Ausführungsform wird am besten anhand des folgenden Arbeitsbeispiels verstanden werden.
Beispiel:
Bei dem Arbeitsbeispiel wurde der Ultraschalldurchflussmesser durch strömende Luft von 298 K kalibriert, und die Weglänge wurde unter Verwendung von Werten wie 3,260 Zoll gemessen. Zur korrekten Messung der Gasgeschwindigkeit wurden die Durchgangszeiten adjustiert, mit den resultierenden Messwandler-Verzögerugszeiten:
T1_gemessen = T1 – 9,0 μs und L = 3,260 Zoll für die Kanal 1 Messwandler, und
T1_gemessen = T1 – 5,7 μs und L = 3,260 Zoll für die Kanal 2 Messwandler.
Für T2_gemessen gelten identische Resultate. Diese Kalibrierungsfaktoren brachten über einen Temperaturbereich von 20°C bis etwa 250°C zufriedenstellende Geschwindigkeitsmessungen. Es gab verbleibende Fehler bei Geschwindigkeiten, die bei Gastemperaturen im Bereich von 250–450°C berechnet wurden.
Lösung:
Die Lösung nach der bevorzugten Ausführungsform beim Arbeitsbeispiel besitzt zwei Aspekte, die beide mit bevorzugten Lösungswegen nun beschrieben werden.
Gemäß dem ersten Aspekt, erzeuge Daten bei verschiedenen Temperaturen und optimiere die Werte für die Weglänge (L) und die Messwandlerzeitverzögerung (tw) für die korrektesten Ergebnisse bei allen Temperaturen: VT=23C = (1/T1-tw23 – 1/T2-tw23)·LT=23C/(2·cosΦ); VT=100C = (1/T1-tw100 – 1/T2-tw100)·LT=100C/(2·cosΦ); VT=150C = (1/T1-tw150 – 1/T2-tw150)·LT=150C/(2·cosΦ); VT=200C = (1/T1-tw200 – 1/T2-tw200)·LT=200C/(2·cosΦ); VT=250C = (1/T1-tw250 – 1/T2-tw250)·LT=250C/(2·cosΦ); VT=300C = (1/T1-tw300 – 1/T2-tw300)·LT=300C/(2·cosΦ); VT=350C = (1/T1-tw350 – 1/T2-tw350)·LT=350C/(2·cosΦ); VT=400C = (1/T1-tw400 – 1/T2-tw400)·LT=400C/(2·cosΦ);
Die näherungsweisen Optima für Weglänge und Messwandler-Verzögerungszeit (die Wildside) sind beim Arbeitsbeispiel bei allen Temperaturen:
T1_gemessen = T1 – 20,0 μs und L = 3,135 Zoll für die Kanal 1 Messwandler, und
T1_gemessen = T1 – 13,5 μs und L = 3,170 Zoll für die Kanal 2 Messwandler.
Es ist zu beachten, dass die temperaturoptimierten Messwandler-Verzögerungszeiten gegenüber den Umgebungswerten substantiell verschieden sind: Kanal 1 wechselte von 9,0 μs zu 20,0 μs und Kanal 2 wechselte von 5,7 μs zu 13,5 μs, das sind jeweils Änderungen von 122% bzw. 137%. Die Änderungen in der Weglänge waren vergleichsweise geringer, von 3,260 Zoll auf 3,135 Zoll, das ergibt einen Unterschied von 3,8%.
Über den Temperaturbereich von 50 bis 375°C ergeben diese Werte der Weglänge und Messwandler-Verzögerungszeiten Ultraschall-Durchflussmesser-Schallgeschwindigkeitsmessungen, die bei jeder Temperatur sich innerhalb von 1% der korrekten Rechenwerte befinden, wie in 3 gezeigt ist. Dies bestätigt, dass die Ultraschall-Durchflussmesser-Geschwindigkeitsmessung über diesen Temperaturbereich stabil ist.
4 zeigt beim Arbeitsbeispiel einen verbleibenden Fehler des gemessenen Volumens über der Temperatur. Das Arbeitsbeispiel benutzt einen zweiten Aspekt der Erfindung, um diesen Fehler zu korrigieren.
Gemäß dem zweiten Aspekt, basierend auf diesem Graphen (4) und bei konstanter Luftströmung von 25 SCFM, gibt es über den Temperaturbereich von 350 Grad eine Änderung des per Ultraschallmesswandler gemessenen Volumens von 2 CFM. Es wurde festgestellt, dass dieser Fehler bei höheren Strömungsdurchsätzen von 50 SCFM und 90 SCFM nahezu identisch ist. Der Fehler kann beim Arbeitsbeispiel durch die Beziehung charakterisiert werden: Q' = Q – 0,06·Q·T/400 + 2wobei Q die gerechnete Strömung in SCFM ist. (Es wird gewürdigt, dass alternativ hierzu ein allgemeines Polynom oder ein anderweitiges Modell verwendet werden könnte.)
Gemäß dem zweiten Aspekt ist diese Korrektur in den Anwendungsfunktionen des Ultraschalldurchflussmessers eingeschlossen, mit den folgenden Ergebnissen: FTP75 innerhalb von 0,8% von CVS für die gewichtete Kraftstoffwirtschaftlichkeit, HWFE innerhalb von 6%, sowie US06 innerhalb 0,6%.
Es ist festzustellen, dass die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zwei separate Aspekte der Erfindung in Kombination zu einem Kalibrierverfahren beinhaltet, um sich mit Änderungen von Zeitverzögerungen in Abhängigkeit von der Temperatur zu befassen. Die bevorzugten Lösungswege für diese beiden separaten Aspekte sind im Arbeitsbeispiel beschrieben. Es ist festzustellen, dass andere Lösungswege beschritten werden könnten, um Weglänge und Messwandler-Verzögerungszeiten über einen weiten Temperaturbereich zu kalibrieren, sowie den Output des Durchflussmessers temperaturmäßig zu kompensieren. Ausführungsformen der Erfindung, die einen oder beide Aspekte der Erfindung verwenden, können über einen weiten Temperaturbereich einen annehmbaren Betrieb zur Verfügung stellen. Im Gegensatz hierzu können beim Stand der Technik Ultraschalldurchflussmesser nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich betrieben werden, und dabei wird ein großer Wärmetauscher verwendet, um sicherzustellen, dass die Gastemperatur sich in dem Bereich befindet.
Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollen dieselben nicht sämtliche möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Worte und Begriffe sind solche der Beschreibung und nicht solche der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Geist und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zur Eichung bzw. Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers und ein Probenentnahmesystem berücksichtigen ein Variieren der akustischen Messwandlerverzögerungszeit mit ansteigender Temperatur. Gemäß einem Gesichtspunkt werden die Kalibrierung der Weglänge zwischen sendendem und empfangendem Messwandler und die Kalibrierung der Messwandlerverzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich optimiert. Gemäß einem anderen Gesichtspunkt wird der Durchflussmesserausgang temperaturkompensiert auf der Grundlage der Gastemperatur des Abgasdurchflussmessers. Gemäß der Erfindung können diese beiden Gesichtspunkte bei einem Ultraschalldurchflussmesser für Abgas individuell oder in Kombination verwirklicht sein.

Claims

Verfahren zur Eichung bzw. Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers, das Änderungen der Messwandlerzeitverzögerung kompensiert, wobei der Durchflussmesser umfasst einen ersten akustischen Messwandler und einen zweiten akustischen Messwandler, die derart angeordnet sind, dass sie einen Weg durch eine Leitung definieren, der die Leitung unter einem Winkel kreuzt, wobei die Geschwindigkeit eines durch die Leitung strömenden Fluids bestimmt ist durch den Weg, die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung, und die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, und wobei die Bestimmung einer Durchgangszeit die Zeitverzögerung des Messwandlers berücksichtigt, mit den folgenden Schritten: Generierung einer groben Durchgangszeit für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung und einer groben Durchgangszeit für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, wobei das Fluid mit einer bekannten Geschwindigkeit durch die Leitung strömt, und zwar bei eine Mehrzahl von verschiedenen Fluidtemperaturen für jede Temperatur; Schätzung einer Weglänge und einer Messwandlerzeitverzögerung auf der Basis der generierten Durchgangszeiten und zugehöriger bekannter Fließgeschwindigkeiten, um den akustischen Durchflussmesser zu kalibrieren, derart, dass die geschätzte Weglänge und die geschätzte Messwandlerverzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich annehmbare Bestimmungen der Fluidgeschwindigkeit ergeben; und Betreiben des akustischen Durchflussmessers zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines durch die Leitung strömenden Fluids, und zwar auf der Grundlage der während der Kalibrierung geschätzten Weglänge, der Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung, und die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, wobei die Bestimmung einer Durchgangszeit die während der Kalibrierung geschätzte Messwandlerverzögerungszeit berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die ersten und zweiten Messwandler des akustischen Durchflussmessers einen ersten Kanal definieren, und bei welchem der Durchflussmesser einen dritten und einen vierten Messwandler umfaßt, um einen zweiten Kanal zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die während der Kalibrierung bestimmte Messwandlerverzögerungszeit größer ist als 10 Mikrosekunden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem auf der Basis der von dem akustischen Durchflussmesser bestimmten Fluidströmungsgeschwindigkeit über einen Zeitraum das Fluidvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die von dem akustischen Durchflussmesser bestimmte Fluidströmungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der Temperatur korrigiert wird, wobei die korrigierte Geschwindigkeit bei der Bestimmung des Fluidvolumens verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Korrigieren ferner umfaßt: Korrigieren der Fluidströmungsgschwindigkeit gemäß einem Korrekturfaktor, der eine polynome Funktion der Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das zur Korrektur der Fluidströmungsgeschwindigkeit verwendete Polynom ein Polynom erster Ordnung ist.
Verfahren zur Eichung bzw. Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers, das Änderungen der Messwandlerzeitverzögerung kompensiert, wobei der Durchflussmesser umfasst einen ersten akustischen Messwandler und einen zweiten akustischen Messwandler, die derart angeordnet sind, dass sie einen Weg durch eine Leitung definieren, der die Leitung unter einem Winkel kreuzt, wobei die Geschwindigkeit eines durch die Leitung strömenden Fluids bestimmt ist durch den Weg, die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung, und die Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, und wobei die Bestimmung einer Durchgangszeit die Zeitverzögerung des Messwandlers berücksichtigt, mit den folgenden Schritten: Bedienen des akustischen Durchflussmessers zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines durch die Leitung fließenden Fluids auf der Basis des Wegs, der Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromaufwärtsrichtung, und der Durchgangszeit über den Weg für einen akustischen Puls in Stromabwärtsrichtung, wobei die Bestimmung einer Durchgangszeit die Messwandlerverzögerungszeit berücksichtigt; Korrigieren der auf der Basis der Temperatur von dem akustischen Durchflussmesser bestimmten Fluidströmungsgeschwindigkeit; und Bestimmen eines Fluidvolumens über einen Zeitraum, und zwar auf der Basis der von dem akustischen Durchflussmesser bestimmten korrigierten Fluidströmungsgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Korrigieren ferner umfaßt das Korrigieren der Fluidströmungsgeschwindigkeit gemäß einem Korrekturfaktor, der eine polynome Funktion der Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das zur Korrektur der Fluidströmungsgeschwindigkeit verwendete Polynom ein Polynom erster Ordnung ist.