DE10057188C5 - Ultrasonic flowmeter with temperature compensation - Google Patents

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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound

Abstract

Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandlern (2, 3), die an einem Meßrohr (1) angeordnet sind und die je ein Piezoelement (P2, P3) aufweisen, einer Meßschaltung (100), die über je eine Anschlußleitung (23, 24) mit den Ultraschallwandlern (2, 3) verbunden ist, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement (P1, P2) ein Temperatursensor (T1) geschaltet ist, dessen Temperatur (T) während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung (100) bestimmt wird, und der Temperatursensor (T1) aus einer Spule (L) und einem temperaturabhängigen Widerstand (RT) oder aus einer Spule (L) und einem Thermoelement (Th) besteht.Ultrasonic flowmeter with temperature compensation with at least two ultrasonic transducers (2, 3), which are arranged on a measuring tube (1) and each having a piezoelectric element (P2, P3), a measuring circuit (100) via a respective connecting line (23, 24) is connected to the ultrasonic transducers (2, 3), wherein parallel to at least one piezoelectric element (P1, P2), a temperature sensor (T1) is connected, the temperature (T) during the ultrasonic measuring pauses in the measuring circuit (100) is determined , and the temperature sensor (T1) consists of a coil (L) and a temperature-dependent resistor (RT) or a coil (L) and a thermocouple (Th).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation.The invention relates to an ultrasonic flowmeter with temperature compensation.

Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach in der Prozeß- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise den Volumendurchfluß in einem Rohrleitungsabschnitt berührungslos zu bestimmen.Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow in a pipe section without contact.

Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten entweder nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.The known ultrasonic flowmeters operate either after the Doppler or after the transit time difference principle.

Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschallimpulsen relativ zur Stömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.When running time difference principle, the different duration of ultrasonic pulses is evaluated relative to the flow direction of the liquid.

Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in wie auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz läßt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluß bestimmen.For this purpose, ultrasonic pulses are sent both in and against the flow. From the transit time difference, the flow rate and thus at a known diameter of the pipe section of the volume flow can be determined.

Beim Doppler-Prinzip wird Ultraschall mit einer beliebigen Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und der von der Flüssigkeit reflektierte Ultraschall ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen dem eingekoppelten und reflektierten Signal läßt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.In the Doppler principle, ultrasound at any frequency is coupled into the liquid and the ultrasound reflected by the liquid is evaluated. From the frequency shift between the coupled and reflected signal can also determine the flow rate of the liquid.

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 that this principle is mainly used in contaminated liquids use.

Der Ultraschall wird mit Hilfe sogenannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitt fest angebracht, z. B. verschweißt. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Meßsysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einer Spannverschluß an die Rohrwandung gepreßt.The ultrasound is generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers. For this purpose, ultrasonic transducers are fixedly attached to the pipe wall of the respective pipe section, z. B. welded. Recently, clamp-on ultrasonic measuring systems have become available. In these systems, the ultrasonic transducers are pressed only with a tension lock on the pipe wall.

Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B-686 255 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekanntSuch 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 mittels Bursts, d. h. kurze sinusförmige Ultraschallimpulse, ermittelt.Another ultrasonic flow meter, which operates on the transit time difference principle, is from the US-A 50 52 230 known. The transit time is determined by means of bursts, ie short sinusoidal ultrasound pulses.

Die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit ist temperaturabhängig. Für eine genaue Messung des Durchflusses ist deshalb eine Berücksichtigung des Temperatureinflusses notwendig.The speed of sound in a liquid is temperature-dependent. For an accurate measurement of the flow, therefore, a consideration of the temperature influence is necessary.

Aus der US-A 4 208 908 ist ein Ultraschall-Durchflußmessgerät bekannt, bei dem mit Hilfe eines Temperatursensors die Temperatur der Flüssigkeit gemessen wird und der Meßstrom für ein Anzeigeelement entsprechend dem Temperaturwert korrigiert wird.From the US-A 4,208,908 an ultrasonic flowmeter is known in which the temperature of the liquid is measured by means of a temperature sensor and the measuring current for a display element is corrected in accordance with the temperature value.

Nachteilig an diesen Schaltungen ist, daß zwischen Meßschaltung und dem eigentlichen Ultraschallwandler eine zusätzliche elektrische Verbindung notwendig ist, über die das Temperatursignal geführt wird.A disadvantage of these circuits is that between the measuring circuit and the actual ultrasonic transducer, an additional electrical connection is necessary over which the temperature signal is passed.

Aus der WO 00/26618 ist bekannt, Kompensationsmittel am Ultraschallwandler vorzusehen, die den Temperatureinfluß auf die Länge der Meßstrecke kompensieren.From the WO 00/26618 It is known to provide compensation means on the ultrasonic transducer, which compensate for the influence of temperature on the length of the measuring path.

Aus der US A 5 280 728 ist ein weiteres Ultraschall-Durchflußmessgerät mit Temperaturkompensation bekannt. Hierbei wird die Laufzeit des Ultraschallsignals in einer bestimmten vorgegebenen Strecke in einem Einkoppelelement des Wandlers gemessen und aus der bekannten Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium auf die Temperatur des Wandlers und damit auch auf die Temperatur der Flüssigkeit geschlossen.From the US Pat. No. 5,280,728 Another ultrasonic flowmeter with temperature compensation is known. Here, the duration of the ultrasonic signal is measured in a certain predetermined distance in a coupling element of the converter and closed from the known temperature dependence of the speed of sound in this medium to the temperature of the transducer and thus to the temperature of the liquid.

Aufgrund der erheblichen Wärmekapazität dieses Einkoppelelements werden Temperaturänderungen erst verzögert wahrgenommen. Außerdem ist diese Art der Temperaturbestimmung relativ ungenau.Due to the considerable heat capacity of this coupling element temperature changes are perceived delayed. In addition, this type of temperature determination is relatively inaccurate.

Die Druckschriften DE-C 33 06 529 , die DE-A 198 20 208 und die DD-A 300 585 offenbaren Vorrichtungen zum Messen einer Temperatur eines piezoelektrischen Elements. Dabei bestehen die Temperatursensoren aus temperaturabhängigen Widerständen, welche direkt auf den Piezoelementen angebracht sind und jeweils eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Diese sind parallel zum Piezoelement geschaltet.The pamphlets DE-C 33 06 529 , the DE-A 198 20 208 and the DD-A 300 585 disclose devices for measuring a temperature of a piezoelectric element. In this case, the temperature sensors consist of temperature-dependent resistors, which are mounted directly on the piezoelectric elements and each have a meandering structure. These are connected in parallel to the piezo element.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Ultraschall-Durchflußmessgerät mit Temperaturkompensation anzugeben, das eine genaue Temperaturbestimmung und damit eine genaue Durchflußmessung ermöglicht, das keine zusätzliche Verkabelung benötigt und die einfach und kostengünstig aufgebaut ist.Object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter with temperature compensation, which allows accurate temperature determination and thus accurate flow measurement, which requires no additional wiring and which is simple and inexpensive.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandlern, die an einem Meßrohr angeordnet sind und die je ein Piezoelement aufweisen, einer Meßschaltung, die über je eine Anschlußleitung mit den Ultraschallwandlern verbunden ist, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement ein Temperatursensor geschaltet ist, dessen Temperatur während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung bestimmt wird, und der Temperatursensor aus einer Spule und einem temperaturabhängigen Widerstand oder aus aus einer Spule und einem Thermoelement besteht.This object is achieved by an ultrasonic flowmeter with temperature compensation with at least two ultrasonic transducers, which are arranged on a measuring tube and each having a piezoelectric element, a measuring circuit, via depending on a connecting line is connected to the ultrasonic transducers, wherein parallel to at least one piezoelectric element, a temperature sensor is switched whose temperature is determined during the ultrasonic measuring pauses in the measuring circuit, and the temperature sensor from a coil and a temperature-dependent resistor or from a coil and a Thermocouple exists.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, daß parallel zum Piezoelement ein Temperatursensor geschaltetet ist und das Temperatursignal und das Ultraschallspannungssignal über die gleiche Leitung vom Ultraschallwandler zur Meßschaltung übertragen werden.The essential idea of the invention is that a temperature sensor is connected in parallel to the piezoelectric element and the temperature signal and the ultrasonic voltage signal are transmitted via the same line from the ultrasonic transducer to the measuring circuit.

In einer bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel ist parallel zum Temperatursensor ein Referenzwiderstand geschaltet ist und die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstands wird aus dem Vergleich der Widerstandswerte gewonnen.In a preferred second exemplary embodiment, a reference resistor is connected in parallel with the temperature sensor, and the temperature of the temperature-dependent resistor is obtained from the comparison of the resistance values.

In einer bevorzugten dritten Ausführungsbeispiel ist eine Konstantstromquelle mit dem Temperatursensor verbindbar und aus dem Spannungsabfall über dem Temperatursensor wird die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstands bestimmt.In a preferred third exemplary embodiment, a constant current source can be connected to the temperature sensor, and the temperature of the temperature-dependent resistor is determined from the voltage drop across the temperature sensor.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

1 schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflußmessgeräts und 1 schematic representation of an ultrasonic flowmeter and

2 schematische Darstellung einer ersten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1. 2 schematic representation of a first measuring circuit for an ultrasonic flowmeter according to 1 ,

3 schematische Darstellung einer zweiten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1. 3 schematic representation of a second measuring circuit for an ultrasonic flowmeter according to 1 ,

4 schematische Darstellung einer dritten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1. 4 schematic representation of a third measuring circuit for an ultrasonic flowmeter according to 1 ,

5 schematische Darstellung einer vierten Meßschaltung für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät gemäß 1. 5 schematic representation of a fourth measuring circuit for an ultrasonic flowmeter according to 1 ,

1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Ultraschall-Durchflußmessgerät mit zwei Ultraschallwandlern 2, 3, die auf der Außenwandung einer Rohrleitung 1 achsparallel versetzt angeordnet sind. Die Flüssigkeit F in der Rohrleitung 1 fließt in Pfeilrichtung. 1 shows in a highly simplified representation of an ultrasonic flowmeter with two ultrasonic transducers 2 . 3 laying on the outside wall of a pipeline 1 are arranged offset axially parallel. The liquid F in the pipeline 1 flows in the direction of the arrow.

Dieses Wandlerpaar, Ultraschallwandler 2, 3, kann auf zwei unterschiedliche Weisen betrieben werden. Entweder wirkt der Ultraschallwandler 2 als Sendewandler und der Ultraschallwandler 3 als Empfängerwandler oder der Ultraschallwandler 2 als Empfängerwandler und der Ultraschallwandler 3 als Sendewandler, wodurch abwechselnd in Strömungsrichtung bzw. entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird.This transducer pair, ultrasonic transducer 2 . 3 , can be operated in two different ways. Either the ultrasonic transducer acts 2 as transmitting transducer and the ultrasonic transducer 3 as a receiver transducer or the ultrasonic transducer 2 as a receiver transducer and the ultrasonic transducer 3 as transmitting transducer, which is measured alternately in the flow direction and against the flow direction.

Jeder Ultraschallwandler 2, 3 weist ein keilförmiges Koppelelement 21 bzw. 31, auf das die Ultraschallsignale unter einem von 90° verschiedenen Winkel α entweder in die Wandung der Rohrleitung ein- bzw. auskoppelt. Der Winkel α ist so gewählt, daß das an der gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung 1 reflektierte Signal auf den jeweils anderen Ultraschallwandler trifft.Every ultrasonic transducer 2 . 3 has a wedge-shaped coupling element 21 respectively. 31 , to which the ultrasonic signals at a different angle of 90 ° α either in the wall of the pipeline on or decoupled. The angle α is chosen so that on the opposite wall of the pipeline 1 reflected signal hits the other ultrasonic transducer.

Die Ultraschallwandler 2, 3 weisen jeweils Piezoelemente P2 bzw. P3 auf, die elektrische Impulse in mechanische Schwingungen, die eigentlichen Ultraschallsignale, umwandeln oder mechanische Schwingungen in elektrische Impulse umwandeln.The ultrasonic transducers 2 . 3 each have piezo elements P2 and P3, which convert electrical pulses into mechanical vibrations, the actual ultrasonic signals, or convert mechanical vibrations into electrical impulses.

Beide Ultraschallwandler 2, 3 sind jeweils über Anschlußleitungen 23 bzw. 33 mit einer Meßschaltung 100 verbunden. Über diese Anschlußleitungen 23, 33 werden die elektrischen Impulse geführt.Both ultrasonic transducers 2 . 3 are each via connecting cables 23 respectively. 33 with a measuring circuit 100 connected. About these leads 23 . 33 the electrical impulses are guided.

2 zeigt die Meßschaltung 100 als Blockschaltbild. 2 shows the measuring circuit 100 as a block diagram.

Die Meßschaltung 100 besteht aus einem Mikrocontroller M, einer Sendeeinheit S, einer Empfängereinheit E, einem Frequenz-Generator F sowie zwei Analog-Digitalwandlern A/D1 bzw. A/D2 einer Anzeigeeinheit D und einem I/O-Modul I/O. Der Mikrocontroller M ist mit dem Frequenzgenerator F verbunden. Vom Frequenzgenerator F führt eine Verbindungsleitung 13 zu der Sendeeinheit S. Die Sendeeinheit S ist über zwei Verbindungsleitungen 14 bzw. 15 mit der Empfängereinheit E verbunden. Von den Verbindungsleitungen 14 bzw. 15 führen zwei Anschlußleitungen 23 bzw. 33 jeweils zu den beiden Ultraschallwandler 2 bzw. 3. Zwei Ausgänge A1 bzw. A2 der Empfängereinheit E sind jeweils mit den A/D-Wandlern A/D1 bzw. A/D2 verbunden. Zur Anzeige des Meßwertes dient die Anzeigeeinheit D, die ebenfalls mit dem Mikrocontroller M verbunden ist. Über ein I/O-Modul I/O ist die Meßschaltung 100 mit einer zentralen Steuereinheit, die nicht näher dargestellt ist, verbunden. Der Mikrocontroller steuert über fünf Steuerleitungen SL1, SL2, SL3, SL4, SL5 jeweils 5 Schalter S1, S2, S3, S4, S5 an.The measuring circuit 100 consists of a microcontroller M, a transmitting unit S, a receiver unit E, a frequency generator F and two analog-to-digital converters A / D1 or A / D2 a display unit D and an I / O module I / O. The microcontroller M is connected to the frequency generator F. From the frequency generator F performs a connection line 13 to the transmitting unit S. The transmitting unit S is via two connecting lines 14 respectively. 15 connected to the receiver unit E. From the connection lines 14 respectively. 15 lead two leads 23 respectively. 33 in each case to the two ultrasonic transducers 2 respectively. 3 , Two outputs A1 and A2 of the receiver unit E are respectively connected to the A / D converters A / D1 and A / D2. To display the measured value is the display unit D, which is also connected to the microcontroller M. The measuring circuit is via an I / O module I / O 100 connected to a central control unit, which is not shown in detail. The microcontroller controls five switches S1, S2, S3, S4, S5 via five control lines SL1, SL2, SL3, SL4, SL5.

Die Schalter S1, S2, S3 und S4 werden kreuzweise geschaltet, so daß entweder der eine Ultraschallwandler 2 als Sendewandler und der andere Ultraschallwandler 3 als Empfängerwandler bzw. umgekehrt dient.The switches S1, S2, S3 and S4 are switched crosswise, so that either the one ultrasound transducer 2 as transmitting transducer and the other ultrasonic transducer 3 serves as a receiver converter or vice versa.

Im folgenden ist der Ultraschallwandler 2 näher beschrieben.The following is the ultrasonic transducer 2 described in more detail.

Parallel zum Piezoelement P2 ist ein Temperatursensor T1 geschaltet. Der Temperatursensor T1 besteht aus einem temperaturabhängiger Widerstand RT und eine Spule L, die in Reihe geschaltet sind. Der ohmsche Widerstand der Spule L ist als separater Widerstand RL dargestellt.Parallel to the piezoelectric element P2, a temperature sensor T1 is connected. The temperature sensor T1 consists of a temperature-dependent resistor R T and a coil L, which are connected in series. The ohmic resistance of the coil L is shown as a separate resistor R L.

Über den Schalter S5 kann auf einen Referenzwiderstand Rref umgeschaltet werden.Via the switch S5 can be switched to a reference resistor R ref .

Der Schalter S5 ist über einen zweiten Verstärker V2 mit dem A/D-Wandler A/D1 verbunden bzw. über einen Widerstand RA mit einer Referenzspannung Uref.The switch S5 is connected via a second amplifier V2 to the A / D converter A / D1 or via a resistor R A with a reference voltage U ref .

Die weiteren Ausführungsbeispiele unterscheiden sich nur geringfügig von dem in 2 gezeigten. Der Übersichtlichkeit halber wurde deshalb auf die vollständige Bezifferung verzichtet und hauptsächlich nur auf die Änderungen gegenüber 2 Wert gelegt.The other embodiments differ only slightly from the in 2 shown. For the sake of clarity, therefore, the complete figures have been dispensed with and mainly only compared to the changes 2 Added value.

Das zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich nur dadurch, daß eine Konstanstromquelle SQ mit dem Verstärker V2 verbindbar ist. Über den Schalter S5 kann die Konstantstromquelle SQ zugeschaltet werden.The second embodiment according to 3 differs only in that a Konstanstromquelle SQ is connectable to the amplifier V2. Via the switch S5, the constant current source SQ can be switched on.

In einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 4 entfällt die Konstantstromquelle SQ. Dafür umfaßt der Frequenzgenerator F zusätzlich einen Gleichspannunggenerator.In a third embodiment according to 4 eliminates the constant current source SQ. For this purpose, the frequency generator F additionally comprises a DC voltage generator.

In einem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der temperaturabhängige Widerstand RT durch ein Thermoelement Th ersetzt.In a fourth embodiment according to 5 the temperature-dependent resistor R T is replaced by a thermocouple Th.

Der Ultraschallwandler 3 besteht bei allen vier Ausführungsbeispielen nur aus dem Piezoelement P3.The ultrasonic transducer 3 consists in all four embodiments only of the piezoelectric element P3.

Aus Redundanzgründen kann der Ultraschallwandler 3 identisch zum Ultraschallwandler 2 ausgebildet sein. In diesem Fall stünden zwei unabhängige Temperatursignale für die Auswertung zur Verfügung.For redundancy reasons, the ultrasonic transducer 3 identical to the ultrasonic transducer 2 be educated. In this case, two independent temperature signals would be available for the evaluation.

Durch Mittelwertbildung könnte dadurch ein genauerer Temperaturmeßwert gewonnen werden.By averaging a more accurate Temperaturmeßwert could be obtained.

Außerdem hätte der Ausfall eines der beiden Temperatursensoren auf die Temperaturmessung keinen wesentlichen Einfluß.In addition, the failure of one of the two temperature sensors on the temperature measurement would have no significant effect.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.The operation of the invention is explained in more detail below.

Mit Hilfe des Frequenzgenerators F und der Sendestufe S werden Bursts von elektrischen Spannungsimpulsen erzeugt. Die Frequenz der Impulse liegt zwischen 50 kHz und 10 MHz. Ein Burst dauert etwa 1 μs bis 200 μs, so daß ein Burst aus etwa 10 Wellenzügen besteht. Diese Bursts werden z. B. an den Ultraschallwandler 2 weitergeleitet, der dann als Sendewandler dient.With the aid of the frequency generator F and the transmission stage S, bursts of electrical voltage pulses are generated. The frequency of the pulses is between 50 kHz and 10 MHz. A burst lasts about 1 μs to 200 μs, so that a burst consists of about 10 wave trains. These bursts are z. B. to the ultrasonic transducer 2 forwarded, which then serves as a transmitter.

Arbeitet der Ultraschallwandler 3 als Empfängerwandler, so besteht keine Verbindung mit der Sendeeinheit S. Die vom Piezoelement P3 empfangenen Ultraschallsignale werden in elektrische Impulse umgewandelt und über einen Verstärker V1 in der Empfängerstufe E und dem A/D-Wandler A/D2 dem Mikrocontroller M zur Auswertung zugeführt.Works the ultrasonic transducer 3 as the receiver transducer, so there is no connection with the transmitting unit S. The received from the piezoelectric element P3 ultrasonic signals are converted into electrical pulses and supplied via an amplifier V1 in the receiver stage E and the A / D converter A / D2 the microcontroller M for evaluation.

Im Sendebetrieb, d. h. wenn Burst (Ultraschallspannungssignale) erzeugt werden, ist der Schalter S1 geschlossen und der Schalter 33 geöffnet. Es erfolgt keine Temperaturmessung mit dem Ultraschallwandler 2. Aufgrund der Impedanz der Spule L (470 μH, ~3000 Ω), die viel größer als die des Piezoelements P2 (10–80 Ω) ist, fließt über den Temperatursensor T1 kein das Ultraschall-Signal störender Strom.In transmission mode, ie when burst (ultrasonic voltage signals) are generated, the switch S1 is closed and the switch 33 open. There is no temperature measurement with the ultrasonic transducer 2 , Due to the impedance of the coil L (470 μH, ~ 3000 Ω), which is much larger than that of the piezoelectric element P2 (10-80 Ω), flows over the temperature sensor T1 no disturbing the ultrasonic signal current.

Zur Temperaturmessung wird der Sendebetrieb unterbrochen (Ultraschall-Meßpausen) und der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S3 geschlossen.For temperature measurement, the transmission mode is interrupted (ultrasonic measuring pauses) and the switch S1 is opened and the switch S3 is closed.

Aus der bekannten Temperaturabhängigkeit des Widerstandes RT und dem bekannten Widerstandswert des Widerstands RL sowie dem Referenzwiderstand Rref und dem Widerstand RA kann die Temperatur T der Flüssigkeit F bestimmt werden. Das Piezoelement P2 beeinflußt die Messung nicht, da es nur als Kondensator wirkt und keinen Einfluß auf den Gleichstrom hat.From the known temperature dependence of the resistor R T and the known resistance of the resistor R L and the reference resistor R ref and the resistor R A , the temperature T of the liquid F can be determined. The piezo element P2 does not affect the measurement, since it acts only as a capacitor and has no influence on the direct current.

Dadurch kann die Temperatur T der Flüssigkeit F sehr genau und einfach bestimmt werden und die Temperaturabhängigkeit des Durchflusses ausgeglichen werden. Die hierfür notwendigen Berechnungen werden im Mikrocontroller M durchgeführt.Thereby, the temperature T of the liquid F can be determined very accurately and easily and the temperature dependence of the flow can be compensated. The necessary calculations are performed in the microcontroller M.

Der Meßwert für den Massedurchfluß hängt somit nicht mehr von der Temperatur der Flüssigkeit F ab.The measured value for the mass flow thus no longer depends on the temperature of the liquid F.

Im Prinzip wird die Temperatur der Rohrleitung 1 bestimmt, die aber im wesentlichen der Temperatur der Flüssigkeit F entspricht.In principle, the temperature of the pipeline 1 determined, but which corresponds substantially to the temperature of the liquid F.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier wird mit der Konstanstromquelle SQ ein konstanter Strom erzeugt und über den Spannungsabfall am Ultraschallwandler 2 die Temperatur des Temperatursensors T1 bestimmt.In 3 another embodiment is shown. Here, a constant current is generated with the constant current source SQ and the voltage drop across the ultrasonic transducer 2 the temperature of the temperature sensor T1 determined.

In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.In 4 another embodiment is shown.

Zur Temperaturmessung wird die Frequenz f der Sendestufe S verändert. Im Sendebetrieb liegt sie bei etwa 50 kHz–5 MHz. Zur Temperaturmessung erfolgt ein Umschalten auf eine Frequenz f1 = 100 Hz. Bei dieser Frequenz ist die Impedanz der Spule L relativ klein. Das Piezoelement P2 besitzt eine sehr hohe Impedanz, so daß der gesamte Strom I über den Temperatursensor T1 fließt.For temperature measurement, the frequency f of the transmission step S is changed. In transmission mode, it is about 50 kHz-5 MHz. For temperature measurement, switching to a frequency f1 = 100 Hz occurs. At this frequency, the impedance of the coil L is relatively small. The piezoelectric element P2 has a very high impedance, so that the entire current I flows through the temperature sensor T1.

Aus der Sendespannung kann bei bekanntem RT, L, RL die Temperatur T des Temperatursensors T1 bestimmt werden.From the transmission voltage can be determined at known R T , L, R L, the temperature T of the temperature sensor T1.

In 5 ist der temperaturabhängige Widerstand Rt durch das Thermoelement Th ersetzt. Die Thermospannung des Thermoelements Th wird verstärkt und im Mikrocontroller M ausgewertet.In 5 the temperature-dependent resistor Rt is replaced by the thermocouple Th. The thermoelectric voltage of the thermocouple Th is amplified and evaluated in the microcontroller M.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmeßgerät kann in einfacher Weise die Temperatur der Flüssigkeit F bestimmt werden und damit ihr Einfluß bei der Bestimmung des Durchflusses berücksichtigt werden.With the ultrasonic flowmeter according to the invention, the temperature of the liquid F can be determined in a simple manner and thus their influence in the determination of the flow can be considered.

Claims (2)

Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit Temperaturkompensation mit mindestens zwei Ultraschallwandlern (2, 3), die an einem Meßrohr (1) angeordnet sind und die je ein Piezoelement (P2, P3) aufweisen, einer Meßschaltung (100), die über je eine Anschlußleitung (23, 24) mit den Ultraschallwandlern (2, 3) verbunden ist, wobei parallel zu mindestens einem Piezoelement (P1, P2) ein Temperatursensor (T1) geschaltet ist, dessen Temperatur (T) während der Ultraschall-Meßpausen in der Meßschaltung (100) bestimmt wird, und der Temperatursensor (T1) aus einer Spule (L) und einem temperaturabhängigen Widerstand (RT) oder aus einer Spule (L) und einem Thermoelement (Th) besteht.Ultrasonic flowmeter with temperature compensation with at least two ultrasonic transducers ( 2 . 3 ) attached to a measuring tube ( 1 ) are arranged and each having a piezoelectric element (P2, P3), a measuring circuit ( 100 ), each via a connecting line ( 23 . 24 ) with the ultrasonic transducers ( 2 . 3 ), wherein parallel to at least one piezoelectric element (P1, P2), a temperature sensor (T1) is connected, the temperature (T) during the ultrasonic measuring pauses in the measuring circuit ( 100 ), and the temperature sensor (T1) consists of a coil (L) and a temperature-dependent resistor (R T ) or a coil (L) and a thermocouple (Th). Ultraschall-Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konstantstromquelle (SQ) mit dem Temperatursensor (T1) verbindbar ist und aus dem Spannungsabfall über dem Temperatursensor (T1) die Temperatur (T) des temperaturabhängigen Widerstands (RT) bestimmt wird.Ultrasonic flowmeter according to claim 1, characterized in that a constant current source (SQ) with the temperature sensor (T1) is connectable and from the voltage drop across the temperature sensor (T1), the temperature (T) of the temperature-dependent resistor (R T ) is determined.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10248593A1 (en) * 2002-10-17 2004-04-29 Endress + Hauser Flowtec Ag, Reinach flowmeter
DE102007020491A1 (en) * 2007-04-27 2008-10-30 Hydrometer Gmbh Method for determining a property of a flowing medium and ultrasonic meters
EP2000784B2 (en) 2007-06-06 2021-12-15 Kamstrup A/S Ultrasonic flow meter with temperature compensation
DE102010014038B4 (en) 2010-04-06 2011-12-15 Krohne Ag Calibration device for flowmeters
DE102013100670B4 (en) 2013-01-23 2022-09-29 Endress + Hauser Flowtec Ag Ultrasonic flow meter with temperature compensation
DE102015107750A1 (en) 2015-05-18 2016-11-24 Endress + Hauser Flowtec Ag Measuring system for measuring at least one parameter of a fluid
DE102015110050A1 (en) 2015-06-23 2016-12-29 Endress + Hauser Flowtec Ag Field device with compensation circuit for the elimination of environmental influences
DE102017130970B4 (en) 2017-12-21 2020-01-02 Endress+Hauser Flowtec Ag Method for detecting a measurement error when measuring a media property of a medium by means of a field device of measurement and automation technology and an ultrasound flow meter or ultrasound level meter used to implement the method
CN111537764B (en) * 2020-05-14 2023-05-12 南京昊控软件技术有限公司 Correlation acoustic water flow velocity measuring device
DE102021110706A1 (en) 2021-04-27 2022-10-27 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method and device for parallel temperature measurement and ultrasonic transmission or detection

Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4208908A (en) * 1978-10-23 1980-06-24 Leeds & Northrup Company Speed of sound compensation for Doppler flowmeter
US4484478A (en) * 1981-10-19 1984-11-27 Haerkoenen Eino Procedure and means for measuring the flow velocity of a suspension flow, utilizing ultrasonics
DE3306529C2 (en) * 1983-02-24 1985-02-14 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Ultrasonic transducer for heat quantity measurement
US4598593A (en) * 1984-05-14 1986-07-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cross-correlation flowmeter for solid-gas flow
US4754650A (en) * 1983-07-29 1988-07-05 Panametrics, Inc. Apparatus and methods for measuring fluid flow parameters
US5040415A (en) * 1990-06-15 1991-08-20 Rockwell International Corporation Nonintrusive flow sensing system
US5052230A (en) * 1988-07-08 1991-10-01 Flowtec Ag Method and arrangement for flow rate measurement by means of ultrasonic waves
DD300585A7 (en) * 1988-12-01 1992-06-25 Adw Inst Physikalisch Tech METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE TEMPERATURE COMPENSATION OF A PIEZOELECTRIC TRANSMISSION DRIVE
EP0559938A1 (en) * 1992-03-11 1993-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Ultrasonic through put measuring device for liquids
US5280728A (en) * 1990-11-05 1994-01-25 Tokimec Inc. Ultrasonic flow velocity measurement method and apparatus thereof
EP0681162A1 (en) * 1994-05-05 1995-11-08 Hydrometer GmbH Detector for ultrasonic measurement of fluid flows
EP0708313A2 (en) * 1994-10-20 1996-04-24 Siemens Aktiengesellschaft Ultrasonic flowmeter
DE19533814A1 (en) * 1995-09-13 1997-03-20 Iwk Regler Kompensatoren Device for ultrasonic flow measurement
US5705753A (en) * 1995-03-31 1998-01-06 Caldon, Inc. Apparatus for determining fluid flow
DE19820208A1 (en) * 1997-12-18 1999-07-01 Fraunhofer Ges Forschung Piezoelectric transducer
DE19530807C2 (en) * 1995-08-22 1999-11-18 Krohne Ag Basel Method for determining the volume flow of flowing media
EP0686255B1 (en) * 1993-12-23 2000-03-15 Endress + Hauser Flowtec AG Clamp-on ultrasonic volume flow rate measuring device
WO2000026618A1 (en) * 1998-11-03 2000-05-11 D-Flow Group Ab Device for temperature compensation in an acoustic flow meter

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4208908A (en) * 1978-10-23 1980-06-24 Leeds & Northrup Company Speed of sound compensation for Doppler flowmeter
US4484478A (en) * 1981-10-19 1984-11-27 Haerkoenen Eino Procedure and means for measuring the flow velocity of a suspension flow, utilizing ultrasonics
DE3306529C2 (en) * 1983-02-24 1985-02-14 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Ultrasonic transducer for heat quantity measurement
US4754650A (en) * 1983-07-29 1988-07-05 Panametrics, Inc. Apparatus and methods for measuring fluid flow parameters
US4598593A (en) * 1984-05-14 1986-07-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cross-correlation flowmeter for solid-gas flow
US5052230A (en) * 1988-07-08 1991-10-01 Flowtec Ag Method and arrangement for flow rate measurement by means of ultrasonic waves
DD300585A7 (en) * 1988-12-01 1992-06-25 Adw Inst Physikalisch Tech METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE TEMPERATURE COMPENSATION OF A PIEZOELECTRIC TRANSMISSION DRIVE
US5040415A (en) * 1990-06-15 1991-08-20 Rockwell International Corporation Nonintrusive flow sensing system
US5280728A (en) * 1990-11-05 1994-01-25 Tokimec Inc. Ultrasonic flow velocity measurement method and apparatus thereof
EP0559938A1 (en) * 1992-03-11 1993-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Ultrasonic through put measuring device for liquids
EP0686255B1 (en) * 1993-12-23 2000-03-15 Endress + Hauser Flowtec AG Clamp-on ultrasonic volume flow rate measuring device
EP0681162A1 (en) * 1994-05-05 1995-11-08 Hydrometer GmbH Detector for ultrasonic measurement of fluid flows
EP0708313A2 (en) * 1994-10-20 1996-04-24 Siemens Aktiengesellschaft Ultrasonic flowmeter
US5705753A (en) * 1995-03-31 1998-01-06 Caldon, Inc. Apparatus for determining fluid flow
DE19530807C2 (en) * 1995-08-22 1999-11-18 Krohne Ag Basel Method for determining the volume flow of flowing media
DE19533814A1 (en) * 1995-09-13 1997-03-20 Iwk Regler Kompensatoren Device for ultrasonic flow measurement
DE19820208A1 (en) * 1997-12-18 1999-07-01 Fraunhofer Ges Forschung Piezoelectric transducer
WO2000026618A1 (en) * 1998-11-03 2000-05-11 D-Flow Group Ab Device for temperature compensation in an acoustic flow meter

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DE10057188B4 (en) 2010-07-01
DE10057188C8 (en) 2016-10-06
DE10057188A1 (en) 2002-05-23

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