DE102009046159A1

DE102009046159A1 - Ultrasonic flow and particle measuring system

Info

Publication number: DE102009046159A1
Application number: DE102009046159A
Authority: DE
Inventors: Beat Kissling; Lin Yaoying
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-05
Also published as: EP2494316A1; WO2011051006A1

Abstract

Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1), mit einem ersten Ultraschallwandler (2) und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler (3), wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein erstes Koppelelement (5) aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler (2, 3) in einem Messrohr (8) zur Ermittlung des Durchflusses so angeordg zumindest eines Signalpfads (9) im Messrohr (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler (3) ausbreiten, wobei zumindest das erste Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von Partikeln zum ersten Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert und Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr (8) und zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mit einem erfindungsgemäßem Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1).Ultrasonic flow and particle measurement system (1), with a first ultrasonic transducer (2) and at least one further, second ultrasonic transducer (3), the first ultrasonic transducer having at least one first ultrasonic transducer element (4) and at least one first coupling element (5), wherein Acoustic signals can be sent and received by the first ultrasonic transducer element (4) during operation via the first coupling element (5), which first and second ultrasonic transducers (2, 3) are arranged in a measuring tube (8) to determine the flow rate, so at least one signal path (9) is arranged. Spread out in the measuring tube (8) between the first and the second ultrasonic transducer (3), at least the first coupling element (5) being designed as an acoustic lens and the ultrasonic flow and particle measuring system (1) having an evaluation unit suitable for amplitude analysis reflection signals of the acoustic signals reflected from particles to the first ultrasonic transducer (2), with the evaluation unit can count a number of amplitudes of the reflection signals in a predetermined time interval which are greater than a predetermined threshold value and method for determining the flow of a measuring medium through a measuring tube (8) and for detecting particles in the measuring medium with an ultrasound according to the invention - Flow and particle measurement system (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement und zumindest ein erstes Koppelelement aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler in einem Messrohr zur Ermittlung des Durchflusses über ein Laufzeitdifferenzprinzip so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten.The present invention relates to an ultrasonic flow and particle measuring system, comprising a first ultrasonic transducer and at least one further, second ultrasonic transducer, wherein the first ultrasonic transducer comprises at least a first ultrasonic transducer element and at least a first coupling element, wherein the first ultrasonic transducer element in operation acoustic signals on the first Coupling element can be emitted and received, which first and second ultrasonic transducers are arranged in a measuring tube for determining the flow over a transit time difference principle so that propagate the acoustic signals along at least one signal path in the measuring tube between the first and the second ultrasonic transducer.

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 to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.

Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. 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.The known ultrasonic flowmeters often work according to the Doppler or the transit time difference principle. When running time difference principle, the different maturities of ultrasonic pulses are evaluated relative to the flow direction of the liquid. For this purpose, ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow. The runtime difference can be used to determine the flow velocity and, with a known diameter of the pipe section, the volume flow rate.

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. Reflexionen in der Flüssigkeit treten auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.In the Doppler principle, ultrasonic waves of a certain frequency are coupled into the liquid and the ultrasonic waves reflected by the liquid are evaluated. From the frequency shift between the coupled and reflected waves can also determine the flow rate of the liquid. Reflections in the liquid occur when air bubbles or contaminants are present in it, so this principle is mainly used in contaminated liquids use.

Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in 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. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , US 4,484,478 oder US 4,598,593 bekannt.The ultrasonic waves are generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers. For this purpose, ultrasonic transducers are firmly mounted in the pipe wall of the respective 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. A big advantage of clamp-on ultrasonic flow measuring systems is that they do not touch the measuring medium and are mounted on an existing pipeline. Such systems are for. B. from the EP 686 255 B1 . US 4,484,478 or US 4,598,593 known.

Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US 5,052,230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, ermittelt. Ein Burst-Signal ist eine begrenzte Anzahl von Schwingungen vorgegebener Frequenzen, vorgegebener Dauer und damit bestimmter Bandbreite.Another ultrasonic flowmeter, which operates on the transit time difference principle, is from the US 5,052,230 known. The transit time is determined here by means of short ultrasonic pulses, so-called bursts. A burst signal is a limited number of oscillations of predetermined frequencies, given duration and thus determined bandwidth.

Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.The ultrasonic transducers usually consist of an electromechanical transducer element, for. B. a piezoelectric element, also called piezo for short, and a coupling layer, also coupling wedge or rare precursor called. The coupling layer is usually made of plastic, the piezoelectric element is in industrial process measurement usually a piezoceramic. In the piezoelectric element, the ultrasonic waves are generated and passed over the coupling layer to the pipe wall and passed from there into the liquid. Since the speeds of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another. The angle of refraction is determined in the first approximation according to Snell's law. The angle of refraction is thus dependent on the ratio of the propagation velocities in the media.

Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.Between the piezoelectric element and the coupling layer, a further coupling layer may be arranged, a so-called adaptation layer. The adaptation layer assumes the function of the transmission of the ultrasonic signal and at the same time the reduction of a reflection caused by different acoustic impedances at boundary layers between two materials.

Nun sind auch Verfahren und Messgeräte zu Ermittlung von Konzentration und/oder Größe von Partikeln in einem Fluid als Messmedium bekannt geworden, welche auf einem Ultraschall-Messprinzip beruhen. Die US 6,481,268 zeigt eben ein solches Messgerät mit zumindest einem Ultraschallwandler. Das vom Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallsignal wird von Partikeln im Messmedium zu dem Wandler reflektiert und dort als Echo registriert. Eine Ausgestaltung zeigt zwei sich gegenüberstehende Ultraschallwandler an einem Messrohr, welche die Ultraschallsignale im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse senden und/oder empfangen. Eine weitere Ausgestaltung zeigt einen einzelnen Ultraschallwandler mit einem Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist, um das Ultraschallsignal im Messrohr zu fokussieren. Eine Messung des Durchflusses ist in diesem Dokument nicht vorgesehen.Now also methods and measuring devices for determining the concentration and / or size of particles in a fluid have become known as a measuring medium, which are based on an ultrasonic measuring principle. The US 6,481,268 shows just such a meter with at least one ultrasonic transducer. The ultrasound signal emitted by the ultrasound transducer is reflected by particles in the measuring medium to the transducer and registered there as an echo. One embodiment shows two opposing ultrasonic transducers on a measuring tube, which transmit and / or receive the ultrasonic signals essentially perpendicular to the measuring tube axis. A further embodiment shows a single ultrasonic transducer with a coupling element, which is designed as a lens to the ultrasonic signal in Focus measuring tube. A measurement of the flow is not provided in this document.

In einer weiteren Patentschrift des Stands der Technik, der US 5,251,490 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät gezeigt, welches den Durchfluss durch ein Messrohr mit dem Doppler-Messprinzip ermittelt. Ultraschallsignale werden in Form von Wellen ausgesandt, von einer akustischen Linse fokussiert und an Partikeln im Messmedium reflektiert. Die Reflektionen sind am größten im direkten Umfeld des Fokus'. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt.In a further patent specification of the prior art, the US 5,251,490 An ultrasonic flowmeter is shown, which determines the flow through a measuring tube with the Doppler measuring principle. Ultrasound signals are emitted in the form of waves, focused by an acoustic lens and reflected by particles in the measuring medium. Reflections are greatest in the immediate vicinity of the focus. From the frequency shift between the coupled and reflected waves, the flow rate of the liquid is determined.

Die US 5,533,408 offenbart ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer Kombination aus Laufzeitdifferenz-Prinzip und Doppler-Prinzip. Dazu sind jedoch jeweils dafür ausgestaltete Sensoren bereitgestellt. Zwischen den Sensoren der beiden Messprinzipien wird bei über- bzw. unterschreiten eines vorgegebenen Messwerts umgeschaltet.The US 5,533,408 discloses an ultrasonic flowmeter with a combination of transit time difference principle and Doppler principle. For this, however, each configured sensors are provided. Between the sensors of the two measuring principles is switched when exceeding or falling below a predetermined reading.

In der WO 03/102512 A1 wir ein Verfahren vorgeschlagen zur Laufzeitdifferenzmessung eines strömenden Fluids, wobei zusätzlich die Reflexionen des Ultraschallsignals an Partikeln im Fluid ermittelt werden, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Dazu werden zwei Ultraschallwandler in der üblichen Anordnung für eine Laufzeitdifferenzmessung vorgeschlagen, wobei zumindest einer dieser Ultraschallwandler so schnell von einem Sendezustand zu einem Empfangszustand umschaltbar ist, dass er die Reflexionen seines ausgesandten Signals an den Partikeln im Fluid empfangen kann oder es sind zusätzliche Ultraschallwandler vorgesehen, welche so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen empfangen können. Zur Ermittlung der Konzentration und der Größe der Partikel im Messmedium wird vorgeschlagen, die Doppler-Verschiebung der sich bewegenden Partikel auszuwerten. Eine Messung in stehendem Messmedium ist somit nicht möglich.In the WO 03/102512 A1 We proposed a method for transit time difference measurement of a flowing fluid, wherein additionally the reflections of the ultrasonic signal are determined on particles in the fluid to determine therefrom, the concentration of the particles. For this purpose, two ultrasound transducers are proposed in the usual arrangement for a transit time difference measurement, wherein at least one of these ultrasound transducers is switchable so fast from a transmission state to a reception state that it can receive the reflections of its emitted signal on the particles in the fluid or additional ultrasound transducers are provided, which are arranged so that they can receive the reflections. To determine the concentration and the size of the particles in the measurement medium, it is proposed to evaluate the Doppler shift of the moving particles. A measurement in stationary medium is therefore not possible.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ultraschall-Durchflussmesssystem bereit zu stellen, mit welchem die Partikelanzahl pro Volumeneinheit und/oder die Partikelgröße, ab einer vorgegebenen Größenordnung, von Partikeln in einem Messmedium ermittelbar sind.The object of the invention is to provide a simple ultrasonic flow measuring system with which the number of particles per unit volume and / or the particle size, from a predetermined order of magnitude, of particles in a measuring medium can be determined.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement und zumindest ein erstes Koppelelement aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler in einem Messrohr zur Ermittlung des Durchflusses über ein Laufzeitdifferenzprinzip so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten, beispielsweise unter einem Winkel kleiner 90° zur Messrohrachse, wobei zumindest das erste Koppelelement als akustische Linse ausgestaltet ist, und wobei das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum ersten Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signalen, wobei mit der Auswerteeinheit die Beträge der Amplituden der vom ersten Ultraschallwandler empfangenen Reflexionssignale ermittelbar sind und wobei mit der Auswerteinheit die Anzahl der Amplituden in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert.The object is achieved by an ultrasonic flow and particle measuring system, comprising a first ultrasonic transducer and at least one further, second ultrasonic transducer, the first ultrasonic transducer having at least a first ultrasonic transducer element and at least a first coupling element, wherein the first ultrasonic transducer element in operation acoustic signals on the first coupling element can be emitted and received, which first and second ultrasonic transducers are arranged in a measuring tube for determining the flow over a transit time difference principle that propagate the acoustic signals along at least one signal path in the measuring tube between the first and the second ultrasonic transducer, for example, at an angle less than 90 ° to the measuring tube axis, wherein at least the first coupling element is designed as an acoustic lens, and wherein the ultrasonic flow and particle measuring system has an evaluation unit, suitable for the amplitude nanalyse of reflection signals of the reflected from the particles to the first ultrasonic transducer acoustic signals, wherein the evaluation of the magnitudes of the amplitudes of the reflection signals received from the first ultrasonic transducer can be determined, and with the evaluation the number of amplitudes in a predetermined time interval are counted, which are larger as a predetermined threshold.

Die Auswerteeinheit ist geeignet zur Erfassung und zur Auswertung von Amplituden von Signalen der vom ersten Ultraschallwandlerelement empfangenen akustischen Reflexionssignale, welche Reflexionssignale von Partikeln im Messmedium zum ersten Ultraschallwandler zurück reflektierte, vom ersten Ultraschallwandler ausgesandte akustische Signale sind. Mit der Auswerteeinheit werden also die Amplituden dieser, vom ersten Ultraschallwandler empfangenen, Reflexionssignale analysiert, wobei zumindest deren Beträge, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, ermittelbar sind und wobei zumindest deren Anzahl in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind. Aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, werden die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt. Dies erfolgt über eine Zuordnung der Amplitudenbeträge zu Partikelgrößen. Somit sind nur Partikel einer vorgegebenen Größe ermittelbar. Es gibt sowohl eine Mindestgröße, als auch eine maximale Größe der Partikel. Sind die Partikel größer als die maximale Größe können diese nicht mehr in ihrer Größe differenziert werden. Die maximale Größe ergibt sich im Wesentlichen durch die Fokussierung der Linse. Aus der Anzahl der Amplituden, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, wird die Partikelkonzentration von Partikeln einer vorgegebenen Mindestgröße in dem Messmedium ermittelt.The evaluation unit is suitable for detecting and evaluating amplitudes of signals of the acoustic reflection signals received by the first ultrasound transducer element, which reflection signals reflected back from particles in the measurement medium to the first ultrasound transducer, are acoustic signals emitted by the first ultrasound transducer. The evaluation unit thus analyzes the amplitudes of these reflection signals received by the first ultrasound transducer, wherein at least their magnitudes, which are greater than a predefined threshold value, can be determined and wherein at least their number can be counted in a predetermined time interval. From the amplitudes of the received reflection signals, which are greater than a predetermined threshold, the particle sizes of the particles are determined in the measuring medium. This is done via an assignment of the amplitude amounts to particle sizes. Thus, only particles of a given size can be determined. There is both a minimum size and a maximum size of the particles. If the particles are larger than the maximum size, they can no longer be differentiated in size. The maximum size is essentially due to the focusing of the lens. From the number of amplitudes, which amplitudes are greater than a predetermined threshold, of the received reflection signals in a predetermined time interval, the particle concentration of particles of a predetermined minimum size in the measuring medium is determined.

Zumindest das erste Koppelelement ist als akustische Linse ausgestaltet, beispielsweise als plankonkave akustische Linse oder als akustische Fresnel-Linse. Das erste Koppelelement weist eine erste Kontaktfläche auf, welche im Betrieb das Messmedium kontaktiert, und zumindest eine weitere, zweite Kontaktfläche, auf welcher das erste Ultraschallwandlerelement angeordnet und befestigt ist. Die erste Kontaktfläche weist beispielsweise eine Kontur mit einem akustisch wirksamen Krümmungsradius größer 5 mm auf. Insbesondere ist dieser akustisch wirksame Krümmungsradius größer 10 mm. Gemäß einer Ausführung beträgt der akustisch wirksame Krümmungsradius höchstens 150 mm, insbesondere höchstens 50 mm. Der Krümmungsradius ist abhängig vom Messrohrdurchmesser und/oder dem Abstand der beiden Ultraschallwandler zueinander und vom Werkstoff des ersten Koppelelements sowie der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des Messmediums, da insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeit des akustischen Signals abhängig ist von dem Stoff, in welchem sich das akustische Signal ausbreitet.At least the first coupling element is designed as an acoustic lens, for example as a plano-concave acoustic lens or as an acoustic Fresnel lens. The first coupling element has a first contact surface, which contacts the measuring medium during operation, and at least one further, second contact surface, on which the first ultrasonic transducer element is arranged and fastened is. The first contact surface has, for example, a contour with an acoustically effective radius of curvature greater than 5 mm. In particular, this acoustically effective radius of curvature is greater than 10 mm. According to one embodiment, the acoustically effective radius of curvature is at most 150 mm, in particular at most 50 mm. The radius of curvature is dependent on the measuring tube diameter and / or the distance between the two ultrasonic transducers and the material of the first coupling element and the chemical composition and the physical properties of the measured medium, since in particular the propagation velocity of the acoustic signal is dependent on the substance in which the acoustic Signal propagates.

Linsen sind herkömmlicherweise durch mindestens eine ellipsoide Fläche oder eine Kugelfläche begrenzt. Eine Kugel weist überall die gleiche Krümmung auf, weshalb Linsen über die Krümmung definierbar sind. Ähnliches gilt für einen Ellipsoid. Eine Ausnahme bilden beispielsweise die Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen sind in mehrere, beispielsweise ringförmige Abschnitte aufgeteilt, welche im Querschnitt durch die Fresnel-Linse durch Prismen angenähert werden können. Idealerweise bilden die ringförmigen Abschnitte einer Fresnel-Linse einen Ausschnitt aus einer herkömmlichen Linse mit einem vorgegebenen Krümmungsradius. Dieser ist dann vorteilhaft gleich dem akustisch wirksamen Krümmungsradius.Lenses are conventionally limited by at least one ellipsoidal surface or sphere. A sphere has the same curvature everywhere, which is why lenses are definable over the curvature. The same applies to an ellipsoid. One exception is, for example, the Fresnel lenses. Fresnel lenses are divided into a plurality of, for example, annular sections, which can be approximated by prisms in cross section through the Fresnel lens. Ideally, the annular portions of a Fresnel lens form a section of a conventional lens having a predetermined radius of curvature. This is then advantageously equal to the acoustically effective radius of curvature.

Natürlich sind die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten einer Linse über die Brechzahlen miteinander verknüpft. Diese hängen wiederum ab von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement.Of course, the acoustically effective radii of curvature and the focal lengths of a lens are linked together via the refractive indices. These in turn depend on the speed of sound in the measuring medium or in the coupling element.

Ein Vorteil einer Fresnel-Linse kann die geringe Dicke der Linse im Vergleich zu herkömmlichen Linsen sein. Dadurch ist das erste Koppelelement sehr dünn auszugestalten, wodurch es als Anpassungsschicht zwischen Messmedium und Ultraschallwandlerelement wirken kann, indem es die Impedanzen beider Kontaktpartner einander anpasst. Ein anderer Vorteil ergibt sich durch eine spezielle Ausgestaltung der Fresnel-Linse. Sie weist einzelne Stufen mit einer jeweiligen Höhe auf, welche jeweils näherungsweise n·λ/2 betragen, mit n einer natürlichen Zahl und λ der Wellenlänge des akustischen Signals in der Linse. Die Linse ist also quasi als λ/2-Anpassungsschicht ausgeführt, was eine verbesserte Transmission des akustischen Signals im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse nach sich führt.An advantage of a Fresnel lens may be the small thickness of the lens compared to conventional lenses. As a result, the first coupling element is designed to be very thin, as a result of which it can act as an adaptation layer between the measuring medium and the ultrasound transducer element by adapting the impedances of both contact partners to one another. Another advantage results from a special embodiment of the Fresnel lens. It has individual steps of a respective height, each approximately approximately n · λ / 2, with n being a natural number and λ being the wavelength of the acoustic signal in the lens. The lens is thus designed as a kind of λ / 2 matching layer, which results in an improved transmission of the acoustic signal compared to a conventional lens.

Sowohl der erste Ultraschallwandler als auch der zweite Ultraschallwandler können in dem Messrohr befestigt sein, wobei die Koppelelemente der Ultraschallwandler dann das Messmedium im Betrieb berühren. Es handelt sich daher um ein so genanntes Inline-Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem. Beide Ultraschallwandler sind so zueinander ausgerichtet, und die Linse des ersten Ultraschallwandlers ist so ausgestaltet, dass sich ein akustisches Signal zwischen beiden Ultraschallwandler auf zumindest einem ersten Signalpfad ausbreitet. Daher ist dieses Inline-Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem geeignet, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens zu ermitteln.Both the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer can be fixed in the measuring tube, wherein the coupling elements of the ultrasonic transducer then touch the measuring medium during operation. It is therefore a so-called inline ultrasonic flow and particle measuring system. Both ultrasonic transducers are aligned with each other, and the lens of the first ultrasonic transducer is configured such that an acoustic signal propagates between the two ultrasonic transducers on at least one first signal path. Therefore, this in-line ultrasonic flow and particle measuring system is suitable for determining the flow of the measuring medium through the measuring tube by means of a transit time difference method.

Verwendet wird ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem insbesondere in einer Anlage der Prozessindustrie, insbesondere in einem Rohrleitungssystem hinter einem Partikelfilter, zur Überwachung der Funktion des Filters, z. B. zur Diagnose, ob z. B. kleine Lecks vorliegen oder wie hoch die Durchlässigkeit des Filters für Partikel ab einer bestimmten Größe, z. B. ab einem Durchmesser von 1 μm, ist. Den Durchmesser der Partikel heranzuziehen basiert auf einer Modellvorstellung. Eigentlich ist die reflektierende Fläche für das Reflexionssignal ausschlaggebend. Jedoch werden die Partikel im Modell als Kugeln angenommen. Dabei sind die Partikel nicht größer 100 μm, insbesondere weisen sie einen Durchmesser nicht größer 10 μm auf, und das Messmedium nicht trüber als 100 FNU, oder die Trübung des Messmediums ist z. B. kleiner 10 FNU. Bei einem sehr trüben Messsignal würde das akustische Signal möglicherweise absorbiert werden, und eine Durchflussmessung ist nicht mehr möglich. Daher sollten nur Messmedien gemessen werden, welche für das menschliche Auge noch klar erscheinen. Hier wird keine hochgenaue Trübungsmessung benötigt. Einen ersten Hinweis auf eine Fehlfunktion kann das ohnehin vorhandene Ultraschall-Durchflussmesssystem liefern, wenn es erfindungsgemäß ausgestaltet und/oder nachgerüstet ist. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist die Nachrüstung eines bereits vorhandenen Ultraschall-Durchflussmesssystems mit zumindest einem ersten Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist. Es kann dabei ein kompletter Ultraschallwandler ohne Linse mit einem erfindungsgemäßen ersten Ultraschallwandler ersetzt werden, oder das Koppelelement wird ausgetauscht. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar und/oder bei Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts ist ein Alarm ausgebbar.An ultrasonic flow and particle measuring system according to the invention is used in particular in a system of the process industry, in particular in a piping system behind a particle filter, for monitoring the function of the filter, for. B. for diagnosis, whether z. As small leaks or how high the permeability of the filter for particles from a certain size, z. B. from a diameter of 1 micron, is. The diameter of the particles is based on a model concept. Actually, the reflective surface is crucial to the reflection signal. However, the particles are assumed to be spheres in the model. In this case, the particles are not greater than 100 microns, in particular, they have a diameter not greater than 10 microns, and the measurement medium not cloudier than 100 FNU, or the turbidity of the medium is measured, for. B. less than 10 FNU. If the measurement signal is very dim, the acoustic signal may be absorbed and flow measurement is no longer possible. Therefore, only measuring media should be measured which are still clear to the human eye. Here, no highly accurate turbidity measurement is needed. The already existing ultrasonic flow measuring system can provide a first indication of a malfunction if it is configured and / or retrofitted according to the invention. A further method according to the invention is the retrofitting of an already existing ultrasonic flow measuring system with at least one first coupling element, which is designed as a lens. In this case, a complete ultrasound transducer without a lens can be replaced with a first ultrasound transducer according to the invention, or the coupling element is exchanged. In further embodiments of the invention, the height of the predetermined threshold value can be adapted during operation and / or an alarm can be output when the predetermined threshold value is exceeded.

Im Unterschied zu Trübungsmesssystem kann mit einem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem nicht die Trübung des Messmediums nach einem der vorgegebenen Standards zur Trübungsmessung ermittelt werden, sondern lediglich, wie bereits beschrieben, die Häufigkeit von im Messmedium auftretenden Partikeln ab einer bestimmten Größe. Es handelt sich also mehr um einen Partikelzähler als um ein Trübungsmessgerät. Der Durchfluss wird mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens ermittelt. Da für die Durchflussmessung und für die Partikelmessung, welche gleichzeitig oder zeitlich zueinander versetzt durchführbar sind, die Amplituden der Reflexionen an den Partikeln ausgewertet werden, ohne eine Doppler-Verschiebung zu berechnen, sind die Partikel auch bei sehr langsam fließendem, theoretisch auch bei stehendem Medium noch messbar.In contrast to the turbidity measuring system, with an ultrasonic flow and particle measuring system according to the invention, it is not possible to determine the turbidity of the measuring medium according to one of the predefined turbidity measurement standards, but merely, as already described, the frequency of particles above a certain size occurring in the measuring medium. It is more a particle counter than a turbidimeter. The flow is by means of a Transit time difference method determined. Since the amplitudes of the reflections on the particles are evaluated for the flow measurement and for the particle measurement, which are simultaneously or temporally offset from one another, without calculating a Doppler shift, the particles are also very slowly flowing, and theoretically also when the medium is stationary still measurable.

Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse werden die Partikel nur in einem kleinen Volumen der Strömung des Messmediums im Messrohr bestimmt. Dieses Volumen ist abhängig vom akustisch wirksamen Krümmungsradius der Linse ROC, den Schallgeschwindigkeiten in der Linse c_Lens und im Messmedium C_Medium und der Wellenlänge des akustischen Signals λ_Medium. Das Volumen kann dabei z. B. als zylindrisch angenommen werden und wird dann als Fokalschlauch bezeichnet. Der Radius dieses Fokalschlauchs um den Brennpunkt errechnet sich beispielsweise zu

mit a dem Radius des Ultraschallwandlerelements und

Die Länge des Fokalschlauchs beträgt dann z. B.

Mit einem ROC von 5 mm einer Länge des Fokalschlauchs von 0,5 mm und einem Radius des Fokalschlauchs von 0,26 mm ergibt sich ein Volumen 0,11 mm³. Angenommen der ROC beträgt 50 mm, Länge und Radius sind 50,1 mm und 2,6 mm beträt das Volumen bereits 1064 mm³. In diesen Beispielen wird das Ultraschallwandlerelement als kreisförmig angenommen. Der Radius des Ultraschallwandlerelements, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, begrenzt natürlich das akustische Signal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Moment des Aussendens. In diesem Volumen werden die akustischen Signale an den Partikeln reflektiert, womit es auch als Messvolumen bezeichnet werden könnte. In diesem Volumen wird ein sehr großer Anteil der Energie des akustischen Signals konzentriert. Es können nur Partikel gemessen werden, an welchen die akustischen Signale ausreichend reflektiert werden. Dies ist beispielsweise an den meisten festen Partikeln der Fall. Für die Reflexion spielt neben dem Einfallswinkel des akustischen Signals auf die Oberfläche eines Partikels, die akustische Impedanz von Partikel und Messmedium bzw. die Schallgeschwindigkeiten in deren Materialen eine große Rolle. Haben Messmedium und Partikel eine identisch akustische Impedanz, ergibt sich keine Reflexion. Die akustischen Impedanzen müssen also soweit auseinander liegen, dass sich ausreichende Reflexionen ergeben. Mit einer Anhebung oder Absenkung des Schwellwerts, ab welchem die Amplituden der Reflexionssignale eingehender betrachtet werden, kann somit auch verstellt werden, welche Art von Partikeln berücksichtigt werden soll.Due to the focusing by means of the acoustic lens, the particles are determined only in a small volume of the flow of the measuring medium in the measuring tube. This volume depends on the acoustically effective radius of curvature of the lens ROC, the speeds of sound in the lens c _Lens and in the medium C _medium and the wavelength of the acoustic signal λ _medium . The volume can be z. B. are assumed to be cylindrical and is then referred to as Fokalschlauch. The radius of this focal tube around the focal point is calculated, for example, too

with a the radius of the ultrasonic transducer element and

The length of the focal tube is then z. B.

With a ROC of 5 mm, a length of the focal tube of 0.5 mm and a radius of the focal tube of 0.26 mm results in a volume of 0.11 mm ³ . Assuming the ROC is 50 mm, length and radius are 50.1 mm and 2.6 mm, the volume is already 1064 mm ³ . In these examples, the ultrasonic transducer element is assumed to be circular. Of course, the radius of the ultrasonic transducer element, such as a piezoelectric element, limits the acoustic signal across its propagation direction at the moment of transmission. In this volume, the acoustic signals are reflected on the particles, which could also be referred to as the measurement volume. In this volume, a very large proportion of the energy of the acoustic signal is concentrated. Only particles can be measured at which the acoustic signals are sufficiently reflected. This is the case, for example, for most solid particles. In addition to the angle of incidence of the acoustic signal on the surface of a particle, the acoustic impedance of particles and measuring medium or the velocities of sound in their materials play a major role in the reflection. If the measuring medium and the particles have an identical acoustic impedance, no reflection results. The acoustic impedances must therefore be far enough apart that sufficient reflections result. With an increase or decrease of the threshold value, from which the amplitudes of the reflection signals are considered in more detail, it is thus also possible to adjust which type of particles should be taken into account.

Gemäß einer ersten Weiterbildung weist das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem eine Steuereinheit auf, z. B. einen Mikroprozessor, geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer ersten Form, insbesondere einer ersten Burst-Signalfolge, und geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer zweiten Form, insbesondere einer zweiten Burst-Signalfolge, welche von der ersten Form verschieden ist, insbesondere welche erste Burst-Signalfolge also von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. Neben kontinuierlichen Signalen, so genannten continuous waves, werden Burst-Signale zur Laufzeitdifferenzmessung eingesetzt. Hier nun sowohl zur Durchflussmessung mittels einer Laufzeitdifferenzmessung, als auch zur Partikelbestimmung. Dabei können sowohl zur Durchfluss- als auch zur Partikelmessung dieselben Signale eingesetzt werden, oder, bei gleichzeitiger Durchfluss- und Partikelmessung das gleiche Signal. In dieser Weiterbildung jedoch unterscheiden sich die Signale zur Durchflussmessung von jenen zur Partikelmessung. Die Unterschiede können in der Anzahl der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Abständen der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Pulsformen der einzelnen Burst-Signale begündet sein. Bei nur wenigen Bursts in einer Burst-Signalfolge ist die Signal-Energie geringer als bei vielen Bursts. Um eine ausreichende Amplitude der Reflexion zu erhalten, muss entsprechend viel Signalenergie in das Messmedium übertragen werden. Werden hingegen sehr viele Bursts schneller Reihenfolge ins Messmedium gesendet, ergibt sich dadurch ein schmalbandiges Signal, ähnlich einem schmalbandigen kontinuierlichen Signal.According to a first development, the ultrasonic flow and particle measuring system has a control unit, for. B. a microprocessor, suitable for exciting the first ultrasonic transducer element for emitting an acoustic signal of a first form, in particular a first burst signal sequence, and suitable for exciting the first ultrasonic transducer element for emitting an acoustic signal of a second form, in particular a second burst signal sequence, which is different from the first form, in particular which first burst signal sequence is thus different from the second burst signal sequence. In addition to continuous signals, so-called continuous waves, burst signals are used for measuring transit time. Here now both for flow measurement by means of a transit time difference measurement, as well as for particle determination. The same signals can be used for both flow and particle measurement, or, with simultaneous flow and particle measurement, the same signal. In this development, however, the signals for flow measurement differ from those for particle measurement. The differences may be due to the number of individual bursts in the burst bursts and / or the spacing of the individual bursts in the burst bursts and / or the burst shapes of the individual burst bursts. With only a few bursts in a burst burst, the signal energy is lower than many bursts. In order to obtain a sufficient amplitude of the reflection, a corresponding amount of signal energy has to be transferred into the measuring medium. On the other hand, if very many bursts of fast order are sent to the measurement medium, this results in a narrowband signal, similar to a narrowband continuous signal.

Weitergebildet ist das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem so ausgestaltet, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt. Gemäß einer Ausgestaltung der Lösung liegt das Verhältnis zwischen 0,4 und 0,6. Die Ultraschallwandler sind im Messrohr angebracht. Um die Strömung nicht zu sehr zu beeinflussen, ragen sie, wenn überhaupt, nur zu einem geringen Teil in das Messrohr hinein. Sie haben einen festen Abstand zueinander, welcher mit dem Durchmesser des Messrohrs korreliert. Durch die Linse und deren Fokussierung wird das erste akustische gebündelt; es entsteht modellhaft ein erster Signalkegel. In Signalausbreitungsrichtung nach der Fokussierung wird das akustische Signal wieder aufgefächert, es wird breiter. Somit entsteht modellhaft ein zweiter Signalkegel, welcher mit seiner Spitze die Spitze des ersten Signalkegels im Brennpunkt der Linse berührt – es entsteht, im Modell, ein Doppelkegel. Damit noch genügend Signalenergie beim zweiten Ultraschallwandler ankommt, sollte die das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse zum Abstand der beiden Ultraschallwandler nicht weniger als 0,2 betragen, insbesondere nicht weniger als 0,4, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler insbesondere zwischen deren mediumsberührenden Flächen gemessen wird.Further developed, the ultrasonic flow and particle measuring system is designed such that the ratio of the focal length of the acoustic lens in aqueous measuring media to a diameter of the measuring tube is at least 0.2. According to one embodiment of the solution, the ratio is between 0.4 and 0.6. The ultrasonic transducers are mounted in the measuring tube. In order not to influence the flow too much, they protrude, if at all, only to a small extent into the measuring tube. she have a fixed distance from each other, which correlates with the diameter of the measuring tube. Through the lens and its focus, the first acoustic is bundled; a first signal cone is modeled. In the signal propagation direction after focusing, the acoustic signal is fanned out again, it widens. Thus, a second signal cone is modeled, which touches the tip of the first cone of signal at the focal point of the lens - it creates, in the model, a double cone. To ensure that sufficient signal energy arrives at the second ultrasound transducer, the ratio of the focal length of the acoustic lens to the distance between the two ultrasound transducers should be not less than 0.2, in particular not less than 0.4, the distance between the first and the second ultrasound transducer in particular between the medium-contacting surfaces is measured.

Mit Krümmungsradien der akustischen Linse des ersten Ultraschallwandler von 5 mm bis 50 mm und Schallgeschwindigkeiten von ca. 2000 m/s bis ca. 3000 m/s in den Koppelelementen der Ultraschallwandler, insbesondere im ersten Koppelelement des ersten Ultraschallwandlers, welche als akustische Linse ausgestaltet ist, ergeben sich Fokuslängen von 15 mm bis 60 mm, bei Messmedien mit Schallgeschwindigkeiten im Messmedium von 1100 m/s bis 1900 m/s.With radii of curvature of the acoustic lens of the first ultrasonic transducer of 5 mm to 50 mm and sound velocities of about 2000 m / s to about 3000 m / s in the coupling elements of the ultrasonic transducer, in particular in the first coupling element of the first ultrasonic transducer, which is designed as an acoustic lens , resulting focal lengths of 15 mm to 60 mm, for measuring media with sound velocities in the medium from 1100 m / s to 1900 m / s.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest das erste Koppelelement aus einem Polymer, z. B. aus PEEK oder PVC, gefertigt ist. Ultraschallwandlerelemente bestehen z. B. aus einer Piezokeramik. Dabei ist gemäß einer Ausgestaltung als erstes Ultraschallwandlerelement eine Piezokeramikscheibe auf eine erste Kontaktfläche des ersten Koppelelements geklebt ist. Auf eine üblicherweise zwischen Koppelelement und Ultraschallwandlerelement angeordnete Anpassungsschicht wird verzichtet. Die Piezokeramikscheibe steht also in direktem Kontakt mit dem Koppelelement, nur mit einer Klebstoffschicht dazwischen.A further development of the invention provides that at least the first coupling element made of a polymer, for. B. made of PEEK or PVC. Ultrasonic transducer elements consist for. B. from a piezoceramic. In this case, according to one embodiment, a piezoceramic disk is glued to a first contact surface of the first coupling element as the first ultrasonic transducer element. On a customarily arranged between the coupling element and the ultrasonic transducer element matching layer is omitted. The piezoceramic disk is thus in direct contact with the coupling element, with only an adhesive layer in between.

Andererseits sind auch Flüssig-Ankopplungen z. B. mit Fett oder hochviskosem Öl anstelle des Klebers denkbar.On the other hand, liquid couplings z. B. conceivable with grease or high-viscosity oil instead of the adhesive.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist zumindest das erste Ultraschallwandlerelement mit einer Sendefrequenz von mindestens 5 MHz anregbar. Meist werden Ultraschallwandlerelemente bei einer bestimmten Resonanzfrequenz angeregt. Sie besitzen einen relativ schmalen nutzbaren Frequenzbereich. Daher liegt auch die Empfangsfrequenz üblicherweise in einem Bereich um die Sendefrequenz, wodurch beispielsweise beide Ultraschallwandlerelemente näherungsweise mit der gleichen Sendefrequenz betrieben werden. Ein Vorteil einer hohen Sendefrequenz sind die kleinen Wellenlängen des resultierenden akustischen Signals wodurch die Auflösung bei der Partikelmessung steigt – es werden kleine Partikel registriert, da auch diese ein Echo zurückreflektieren.According to a further development, at least the first ultrasonic transducer element can be excited with a transmission frequency of at least 5 MHz. Most ultrasonic transducer elements are excited at a certain resonant frequency. They have a relatively narrow usable frequency range. Therefore, the reception frequency is usually in a range around the transmission frequency, whereby, for example, both ultrasonic transducer elements are operated approximately at the same transmission frequency. An advantage of a high transmission frequency are the small wavelengths of the resulting acoustic signal which increases the resolution during the particle measurement - small particles are registered, since these also reflect back an echo.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem ist vorgesehen, dass das Messrohr einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20 mm, insbesondere mindestens 30 mm aufweist. Höchstens beträgt der Messrohrdurchmesser beispielsweise 150 mm oder z. B. gar nur 120 mm. Die Ultraschallwandler, insbesondere deren Linsen, werden entsprechend ausgewählt.In a further development of the ultrasonic flow and particle measuring system according to the invention, it is provided that the measuring tube has an approximately circular cross-section, with a diameter of at least 20 mm, in particular at least 30 mm. At most, the measuring tube diameter is 150 mm or z. B. even only 120 mm. The ultrasonic transducers, in particular their lenses, are selected accordingly.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr und zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, welche in einem Messrohr so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten, wobei akustische Signale vom ersten Ultraschallwandler sowohl zur Ermittlung des Durchflusses des Messmediums durch das Messrohr mittels einer Laufzeitdifferenzmessung, als auch zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum ersten Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale, also den Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln, erzeugt werden. Die vom ersten Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale werden erfindungsgemäß über eine akustische Linse fokussiert. Die akustische Linse weist dabei zumindest einen Brennpunkt auf, welcher in einem Volumen im Messrohr liegt. Akustische Signale breiten sich modellhaft entlang eines geraden Signalpfads aus. In der Realität ist deren Ausbreitung abhängig von vielen Faktoren und ist z. B. keulenförmig.The object underlying the invention is further achieved by a method for determining the flow of a measured medium through a measuring tube and for detecting particles in the measuring medium, with a first ultrasonic transducer and at least one further, second ultrasonic transducer, which are arranged in a measuring tube so in that the acoustic signals propagate along at least one signal path in the measuring tube between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer, wherein acoustic signals from the first ultrasonic transducer both for determining the flow of the measuring medium through the measuring tube by means of a transit time difference measurement, as well as for detecting particles in the measuring medium by means of an amplitude analysis of reflection signals of the reflected from the particles to the first ultrasonic transducer acoustic signals, so the reflections of the acoustic signal to the particles generated. The acoustic signals generated by the first ultrasonic transducer are focused according to the invention via an acoustic lens. The acoustic lens has at least one focal point, which lies in a volume in the measuring tube. Acoustic signals are modeled along a straight signal path. In reality, their spread depends on many factors and is z. B. club-shaped.

Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt, an welchen diese Reflexionssignale reflektiert wurden. Die Partikelgröße wird somit über den Betrag der empfangenen Amplitude des Reflexionssignals, oder anders genannt, des Echos, ermittelt.According to a first development of the method according to the invention, the particle sizes of the particles in the measuring medium at which these reflection signals were reflected are determined from the amplitudes of the received reflection signals, which are greater than a predefined threshold value. The particle size is thus determined by the amount of the received amplitude of the reflection signal, or otherwise called the echo.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird beispielsweise ein Alarm ausgegeben, bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts und/oder Alarm ausgegeben bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Partikeln größer eines vorgegebenen Schwellwerts in einem vorgegebenem zeitlichen Intervalls.In one embodiment of the invention, for example, an alarm is output, when a predetermined threshold value is exceeded and / or alarm is output when it exceeds one predetermined number of particles greater than a predetermined threshold in a predetermined time interval.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar, z. B. durch den Benutzer, oder sie wird automatisch angepasst abhängig von Prozessparametern wie z. B. dem Messmedium und den in dem Messmedium befindlichen Partikeln, insbesondere deren akustische Impedanzen im Vergleich zur akustischen Impedanz des Messmediums.In a further embodiment of the invention, the height of the predetermined threshold in operation is adjustable, z. B. by the user, or it is automatically adjusted depending on process parameters such. As the measuring medium and the particles in the medium to be measured, in particular their acoustic impedances compared to the acoustic impedance of the medium to be measured.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, also aus deren Häufigkeit, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird. Das erste Ultraschallwandlerelement liefert ein Spannungssignal, welches in einer Auswerteinheit verarbeitet wird. Natürlich nimmt das erste Ultraschallwandlerelement auch Störungen auf, welche in dem Spannungssignal als Rauschen bezeichnet werden. Wird nun eine Schwellwertanalyse des Signals durchgeführt, werden nur diejenigen Werte weiterverarbeitet und somit als Partikel erkannt, welche über diesem vorgegebenen Schwellwert liegen. Diese Amplituden oder Peaks werden einerseits gezählt und damit auf die Partikelhäufigkeit geschlossen und andererseits über deren Betrag die Partikelgröße bestimmt.In a further development of the method according to the invention, it is proposed that the particle concentration in the measured medium is determined from the number of amplitudes of the received reflection signals in a predetermined time interval, ie from their frequency, which amplitudes are greater than a predefined threshold value. The first ultrasonic transducer element supplies a voltage signal, which is processed in an evaluation unit. Of course, the first ultrasonic transducer element also picks up noise which is referred to as noise in the voltage signal. If a threshold value analysis of the signal is now carried out, only those values are processed further and thus recognized as particles which are above this predetermined threshold value. These amplitudes or peaks are counted on the one hand and thus closed on the frequency of particles and on the other hand on the amount determines the particle size.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Ultraschallwandler zur Laufzeitdifferenzmessung zu einer ersten Burst-Signalfolge angeregt wird und zur Partikelmessung zu einer zweiten Burst-Signalfolge angeregt wird, wobei die erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. So können zwei verschiedene Burst-Signalfolgen für die Durchflussmessung, also die Laufzeitdifferenzmessung, und die Partikelmessung verwendet werden. Prinzipiell sind beide Messungen auch parallel mit dem gleichen Signal durchführbar.A further development of the invention provides that the first ultrasonic transducer is excited to a first burst signal sequence for transit time difference measurement and is excited to particle measurement to a second burst signal sequence, wherein the first burst signal sequence is different from the second burst signal sequence. Thus, two different burst signal sequences can be used for the flow measurement, ie the transit time difference measurement, and the particle measurement. In principle, both measurements can also be carried out in parallel with the same signal.

In einer weiteren Verfahrensweiterbildung wird zumindest der erste Ultraschallwandler zu einer Sendefrequenz größer 5 MHz angeregt. Die Sendefrequenz kann auch höher als 10 MHz sein, z. B. auch 20 MHz. Da für die Wellenlänge des akustischen Signals gilt: λ = c/f, mit c der Schallgeschwindigkeit und f der Sendefrequenz, ist die Wellenlänge kleiner bei einer höheren Sendefrequenz und sonst gleichen Bedingungen. Dadurch sind kleinere Partikel detektierbar. Ist die Sendefrequenz viel größer als 20 MHz ist die Absorption des akustischen Signals im Messmedium sehr hoch, auch wenn nur wenige Partikel im Messmedium enthalten sind. Ein ausreichend starkes akustisches Signal zur Durchflussmessung scheint dann nur sehr schwer zu realisieren.In a further method development, at least the first ultrasonic transducer is excited to a transmission frequency greater than 5 MHz. The transmission frequency can also be higher than 10 MHz, z. B. also 20 MHz. Since the wavelength of the acoustic signal is: λ = c / f, with c the speed of sound and f the transmission frequency, the wavelength is smaller at a higher transmission frequency and otherwise equal conditions. As a result, smaller particles are detectable. If the transmission frequency is much larger than 20 MHz, the absorption of the acoustic signal in the measuring medium is very high, even if only a few particles are contained in the measuring medium. A sufficiently strong acoustic signal for flow measurement then seems very difficult to realize.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The invention will be explained in more detail with reference to the following figures, in each of which an embodiment is shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem, 1 shows an inventive ultrasonic flow and particle measuring system,

2 zeigt einen Ultraschallwandler eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystems. 2 shows an ultrasonic transducer of an ultrasonic flow and particle measuring system according to the invention.

In 1 ist erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem 1 schematisch dargestellt. Zwei Ultraschallwandler 2, 3, welche jeweils über ein Koppelelement akustische Signale aussenden und/oder empfangen, sind unter einem Winkel zur Messrohrachse in einem Messrohr 8 befestigt. Es handelt sich hierbei um ein so genanntes Inline-Messsystem, mit welchem der Durchfluss eines nicht gezeigten Messmediums durch das Messrohr 8 ermittelbar ist. Die Mittelachse durch beide Ultraschallwandler 2, 3 soll hier modellhaft einen Signalpfad kennzeichnen, entlang welchem sich Ultraschallsignale zwischen beiden Ultraschallwandlern 2, 3 ausbreiten.In 1 is inventive ultrasonic flow and particle measuring system 1 shown schematically. Two ultrasonic transducers 2 . 3 which each emit and / or receive acoustic signals via a coupling element are at an angle to the measuring tube axis in a measuring tube 8th attached. This is a so-called inline measuring system, with which the flow of a measuring medium, not shown, through the measuring tube 8th can be determined. The central axis through both ultrasonic transducers 2 . 3 is here to model a signal path along which ultrasonic signals between the two ultrasonic transducers 2 . 3 spread.

Beide Ultraschallwandler 2, 3 weisen hier jeweils eine akustische Linse 10 auf. Durch diese werden Ultraschallsignale zwischen den der beiden Ultraschallwandler 2, 3 im Messrohr 8 fokussiert. Nachfolgend wird nur noch der erste Ultraschallwandler 2 näher betrachtet. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Ultraschallwandler 2, 3 gleich ausgestaltet, wodurch die Aussagen für beide Ultraschallwandler 2, 3 gelten. Jedoch kann auch nur der erste Ultraschallwandler 2 mit einer akustischen Linse 10 ausgestattet sein.Both ultrasonic transducers 2 . 3 here each have an acoustic lens 10 on. Due to this, ultrasonic signals between the two ultrasonic transducers 2 . 3 in the measuring tube 8th focused. Below only the first ultrasonic transducer 2 closer look. In this embodiment, both are ultrasonic transducers 2 . 3 Equally designed, making statements for both ultrasonic transducers 2 . 3 be valid. However, only the first ultrasonic transducer can 2 with an acoustic lens 10 be equipped.

Der Brennpunkt der akustischen Linse 10 des ersten Ultraschallwandlers 2 liegt in dem Volumen zur Partikelmessung 11. Dieses Volumen 11 ergibt sich aus der Fokussierung der Linse. Es ist hier rotationssymmetrisch um den Signalpfad 9 und im dargestellten Querschnitt im Wesentlichen elliptisch gezeichnet. In diesem Volumen werden Partikel durch Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln registriert.The focal point of the acoustic lens 10 of the first ultrasonic transducer 2 lies in the volume for particle measurement 11 , This volume 11 results from the focusing of the lens. It is rotationally symmetric around the signal path 9 and drawn in the illustrated cross-section substantially elliptical. In this volume, particles are registered by reflections of the acoustic signal to the particles.

Mit diesem sehr einfach aufgebauten Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem 1 lassen sich parallel oder sequentiell Durchfluss messen und Partikel zählen; vereint in einem Messgerät. Der Aufbau unterscheidet sich nicht wesentlich von einem herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmesssystem. Daher ist es kostengünstig in der Herstellung. Durch die einfache Amplitudenanalyse sind die Partikel ohne großen Mehraufwand zur Durchflussmessung registrierbar.With this very simply constructed ultrasonic flow and particle measuring system 1 can measure flow in parallel or sequentially and count particles; united in a measuring device. The structure is not significantly different from a conventional ultrasonic flowmeter. Therefore, it is inexpensive to manufacture. Due to the simple amplitude analysis, the particles can be registered for flow measurement without much extra effort.

Eine bestimmungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystems ist z. B. in einem Rohrleitungssystem stromabwärts eines Filters, also in Strömungsrichtung des Messmediums durch das Rohrleitungssystem nach dem Filter, z. B. zur Funktionsüberwachung des Filters.A proper use of the ultrasonic flow and particle measuring system according to the invention is z. B. in a pipeline system downstream of a filter, ie in the direction of flow of the medium to be measured through the piping system after the filter, z. B. for monitoring the function of the filter.

2 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen ersten Ultraschallwandlers 2. Dieser weist ein erstes Ultraschallwandlerelement 4 auf, z. B. eine Hochfrequenz-Piezokeramik. Dieses Ultraschallwandlerelement 4 kann sowohl elektrische Signale in mechanische Schwingungen und damit in akustische Signale wandeln, als auch akustische Signale in elektrische. Es fungiert somit als Sensor und als Aktor. Das Ultraschallwandlerelement 4 sendet und empfängt akustische Signale über ein erstes Koppelelement, welches als akustische Linse 10 ausgestaltet ist. Das Koppelelement bzw. die akustische Linse 10 weist mehrere Oberflächen auf, eine erste Kontaktfläche 6, welche im Betrieb das Messmedium im Messrohr berührt und eine zweite Kontaktfläche 7, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 steht. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist beispielsweise direkt auf die zweite Kontaktfläche 7 der akustischen Linse 10 geklebt, ohne eine weitere Anpassungsschicht dazwischen. Dies soll hier jedoch nicht ausgeschlossen werden. 2 illustrates the construction of a first ultrasonic transducer according to the invention 2 , This has a first ultrasonic transducer element 4 on, z. B. a high-frequency piezoceramic. This ultrasonic transducer element 4 can convert both electrical signals into mechanical vibrations and thus into acoustic signals, as well as acoustic signals in electrical. It thus acts as a sensor and as an actuator. The ultrasonic transducer element 4 sends and receives acoustic signals via a first coupling element, which serves as an acoustic lens 10 is designed. The coupling element or the acoustic lens 10 has several surfaces, a first contact surface 6 , which contacts the measuring medium in the measuring tube during operation and a second contact surface 7 which is in contact with the ultrasonic transducer element 4 stands. The ultrasonic transducer element 4 is for example directly on the second contact surface 7 the acoustic lens 10 glued, without another layer of adaptation in between. However, this should not be excluded here.

Das Ultraschallwandlerelement 4 ist über zwei Kabel 13 und einen Steckanschluss 14 mit einem nicht dargestellten Messumformer verbunden. In dem Anschlussraum 12 im ersten Ultraschallwandler 2 hinter dem Ultraschallwandlerelement 4 kann ein so genanntes Backing vorgesehen sein, ein Schwingungsdämpfer, welcher direkt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 verbunden ist.The ultrasonic transducer element 4 is over two cables 13 and a plug connection 14 connected to a transmitter, not shown. In the terminal room 12 in the first ultrasonic transducer 2 behind the ultrasonic transducer element 4 may be provided a so-called backing, a vibration damper, which directly with the ultrasonic transducer element 4 connected is.

Die Linse 10 ist hier als plankonkave Linse, mit einer ersten Kontaktfläche 6, welche einen vorgegebenen Krümmungsradius, hier z. B. 14 mm aufweist, und einer ebenen zweiten Kontaktfläche 7 ausgestaltet. Gleichermaßen könnte die Linse 10 als Fresnel-Linse ausgestaltet sein, mit einer, eine Kontur aufweisende, also einer konturierten ersten Kontaktfläche 6, welche einen gleichartig akustisch wirksamen Krümmungsradius aufweist. Eine Fresnel-Linse ist in mehrere Segmente bzw. Abschnitte unterteilt, welche zusammen diese Kontur mit dem akustisch wirksamen Krümmungsradius bilden.The Lens 10 is here as plano-concave lens, with a first contact surface 6 which a predetermined radius of curvature, here z. B. 14 mm, and a flat second contact surface 7 designed. Likewise, the lens could 10 be designed as a Fresnel lens, with a, having a contour, so a contoured first contact surface 6 , which has a similar acoustically effective radius of curvature. A Fresnel lens is divided into a plurality of segments or sections, which together form this contour with the acoustically effective radius of curvature.

Die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten der Linsen sind über die Brechzahlen miteinander verknüpft, wobei diese von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement abhängen. Die Stufenhöhe einer Fresnel-Linse ist beispielsweise gegeben durch n·λ/2, mit λ der Wellenlänge des akustischen Signals im Koppelelement und n einer natürlichen Zahl.The acoustically effective radii of curvature and the focal lengths of the lenses are linked to one another via the refractive indices, these depending on the velocities of sound in the measuring medium or in the coupling element. The step height of a Fresnel lens is given, for example, by n · λ / 2, where λ is the wavelength of the acoustic signal in the coupling element and n is a natural number.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Ultraschall-Durchfluss- und PartikelmesssystemUltrasonic flow and particle measuring system
22: Erster UltraschallwandlerFirst ultrasonic transducer
33: Zweiter UltraschallwandlerSecond ultrasonic transducer
44: Erstes UltraschallwandlerelementFirst ultrasonic transducer element
55: Erstes KoppelelementFirst coupling element
66: Erste Kontaktfläche des ersten KoppelelementsFirst contact surface of the first coupling element
77: Zweite Kontaktfläche des ersten KoppelelementsSecond contact surface of the first coupling element
88th: Messrohrmeasuring tube
99: Signalpfadsignal path
1010: Akustische LinseAcoustic lens
1111: Volumen zur PartikelmessungVolume for particle measurement
1212: Anschlussraum im ersten UltraschallwandlerConnection space in the first ultrasonic transducer
1313: Kabelelectric wire
1414: Steckanschlussplug-in connection

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 686255 B1 [0005]
US 4484478 [0005]
US 4598593 [0005]
US 5052230 [0006]
US 6481268 [0009]
US 5251490 [0010]
US 5533408 [0011]
WO 03/102512 Al [0012]

Claims

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ), with a first ultrasonic transducer ( 2 ) and at least one further, second ultrasonic transducer ( 3 ), wherein the first ultrasonic transducer at least a first ultrasonic transducer element ( 4 ) and at least a first coupling element ( 5 ), wherein the first ultrasonic transducer element ( 4 ) in operation acoustic signals via the first coupling element ( 5 ) can be emitted and received, which first and second ultrasonic transducers ( 2 . 3 ) in a measuring tube ( 8th ) are arranged to determine the flow so that the acoustic signals along at least one signal path ( 9 ) in the measuring tube ( 8th ) between the first and second ultrasonic transducers ( 3 ), characterized in that at least the first coupling element ( 5 ) is designed as an acoustic lens, and that the ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) has an evaluation unit, suitable for the amplitude analysis of reflection signals of the particles to the first ultrasonic transducer ( 2 ) reflected acoustic signals, wherein the evaluation unit, a number of amplitudes of the reflection signals in a predetermined time interval are counted, which are greater than a predetermined threshold value.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) has a control unit suitable for exciting the first ultrasonic transducer element ( 4 ) for emitting a first burst signal sequence as an acoustic signal and suitable for exciting the first ultrasonic transducer element ( 4 ) for emitting a second burst signal sequence as an acoustic signal, which first burst signal sequence is different from the second burst signal sequence.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) is designed so that the ratio of focal length of the acoustic lens in aqueous measuring media to a diameter of the measuring tube is at least 0.2.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least the first coupling element ( 5 ) is designed as a plano-concave acoustic lens.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least the first coupling element ( 5 ) is designed as an acoustic Fresnel lens.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least the first coupling element ( 5 ) is made of a polymer.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that as the first ultrasonic transducer element ( 4 ) a piezoceramic disk on a first contact surface ( 6 ) of the first coupling element ( 5 ) is glued.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least the first ultrasonic transducer element ( 4 ) can be excited with a transmission frequency of at least 5 MHz.

Ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring tube ( 8th ) has an approximately circular cross section, with a diameter of at least 20 mm.

Method for determining the flow of a measuring medium through a measuring tube ( 8th ) and for detecting particles in the measuring medium, with a first ultrasonic transducer ( 2 ) and at least one further, second ultrasonic transducer ( 3 ), which in a measuring tube ( 8th ) are arranged so that the acoustic signals along at least one signal path ( 9 ) in the measuring tube ( 8th ) between the first ultrasonic transducer ( 2 ) and the second ultrasonic transducer ( 3 ), wherein acoustic signals from the first ultrasonic transducer ( 2 ) are generated both for determining the flow of the measuring medium through the measuring tube by means of a transit time difference measurement, as well as for detecting particles in the measuring medium by means of an amplitude analysis of reflection signals of the reflected from the particles to the first ultrasonic transducer acoustic signals, characterized in that at least that of the first Ultrasonic transducer ( 2 ) is focused via an acoustic lens.

A method according to claim 10, characterized in that from the amplitudes of the received reflection signals, which are greater than a predetermined threshold, the particle sizes of the particles are determined in the measuring medium.

A method according to claim 10 or 11, characterized in that from the number of amplitudes of the received reflection signals in a predetermined time interval, which amplitudes are greater than a predetermined threshold value, the particle concentration is determined in the measured medium.

Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the first ultrasonic transducer ( 2 ) is excited to the transit time difference measurement to a first burst signal sequence and is excited to the particle measurement to a second burst signal sequence, wherein the first burst signal sequence is different from the second burst signal sequence.

Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the first ultrasonic transducer ( 2 ) is excited to a transmission frequency greater than 5 MHz.

Use of an ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ultrasonic flow and particle measuring system ( 1 ) is arranged in a piping system after a particle filter.