DE102010046338B4

DE102010046338B4 - Measuring tube for an ultrasonic flowmeter and ultrasonic flowmeter

Info

Publication number: DE102010046338B4
Application number: DE102010046338.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hans-Michael (FH) Sonnenberg; Dipl.-Ing.(FH) Schmidt-Schoenian Axel; Dipl.-Ing.(FH) Gaugler Ulrich; Dipl.-Ing.(FH) Kroemer Harald; Dipl.-Ing. Thomas (FH) Glatter; Dr. Horn Roland; Andreas Schröder; Jens Rautenberg; Horst Behlen; Horst Ziegler; Carsten Unverzagt; Prof. Henning Bernd
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Universitaet Paderborn; Diehl Metering GmbH
Priority date: 2010-05-29
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: DE202011101455U1; DE102010046338A1

Abstract

Messrohr (1) für einen Ultraschalldurchflussmesser für fluide Medien mit mindestens einer Ankopplungsfläche (7) zur Ankopplung eines Ultraschallwandlers (6), wobei die Ankopplungsfläche (7) Bestandteil eines Einkopplungskörpers (4) ist, der zumindest teilweise in der Wand (2) des Messrohres (1) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Ankopplungsfläche (7) gelegene Grenzfläche (9) des Einkopplungskörpers (4) zumindest abschnittsweise geometrisch regelmäßig strukturiert ausgebildet ist, dass die Strukturierung der Grenzfläche (9) rotationssymmetrisch ausgeführt ist und dass die Strukturgröße des strukturiert ausgebildeten Abschnitts der Grenzfläche (9) kleiner als die halbe Schallwellenlänge im verwendeten Material mit der kleinsten Schallwellenlänge ist.Measuring tube (1) for an ultrasonic flow meter for fluid media with at least one coupling surface (7) for coupling an ultrasonic transducer (6), wherein the coupling surface (7) is part of a coupling body (4) at least partially in the wall (2) of the measuring tube (1) is embedded, characterized in that the interface (9) of the coupling body (4) located opposite the coupling surface (7) is geometrically regularly structured at least in sections, that the structuring of the boundary surface (9) is rotationally symmetrical and that the structure size of the structured formed portion of the interface (9) is smaller than half the sound wavelength in the material used with the smallest sound wavelength.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messrohr für einen Ultraschall-Durchflussmesser für fluide Medien mit mindestens einer Ankopplungsfläche zur Ankopplung eines Ultraschallwandlers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Ultraschall-Durchflussmesser mit einem solchen Messrohr.The invention relates to a measuring tube for an ultrasonic flowmeter for fluid media with at least one coupling surface for coupling an ultrasonic transducer according to the preamble of patent claim 1 and an ultrasonic flowmeter with such a measuring tube.

Zur Messung des Durchflusses fluider Medien, also von Flüssigkeiten und Gasen, durch Rohrleitungen werden vermehrt Messgeräte verwendet, bei welchen Ultraschallwellen in den Messkanal eingekoppelt werden und deren Laufzeit sowohl in als auch gegen Strömungsrichtung des Fluides gemessen wird, woraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit auch dessen Durchflussmenge bestimmt werden kann. Die Ultraschallwellen werden von Ultraschallwandlern, die im Allgemeinen von Piezokeramiken gebildet sind, erzeugt und durch die Wand des Messrohrs (oder Messkanalgehäuses) in den Messkanal eingestahlt. Zur Anbringung der Ultraschallwandler gibt es mehrere Möglichkeiten:
In Lerch, Sessler, Wolf, „Technische Akustik – Grundlagen und Anwendung”, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2009, S. 631f wird beschrieben, dass in der Prozessmesstechnik für Ultraschall-Durchflussmessgeräte konfektionierte Ultraschallwandler direkt mit dem zu messenden Medium in Kontakt gebracht werden können, indem im Messkanalgehäuse entsprechende Öffnungen vorhanden sind, in welche die Ultraschallwandler eingesetzt werden. Material und Konstruktion der Ultraschallwandler sind dabei so zu wählen, dass eine gute akustische Kopplung zum Medium (Flüssigkeit) erreicht wird. Sowohl die Herstellung des konfektionierten Schallwandlers als auch dessen anschließende Montage und die Abdichtung der Öffnungen verursachen jedoch einen wesentlichen Aufwand bei der Herstellung der Durchflussmessgeräte.To measure the flow of fluid media, ie liquids and gases, through pipes increasingly used measuring devices in which ultrasonic waves are coupled into the measuring channel and their running time is measured both in and against the flow direction of the fluid, from which the flow rate of the fluid and thus its flow rate can be determined. The ultrasonic waves are generated by ultrasonic transducers, which are generally formed by piezoceramics, and are etched into the measuring channel through the wall of the measuring tube (or measuring channel housing). For mounting the ultrasonic transducers there are several possibilities:
Lerch, Sessler, Wolf, "Technical Acoustics - Fundamentals and Application", Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2009, p. 631f describes that ready-made ultrasonic transducers can be brought into direct contact with the medium to be measured in process measuring technology for ultrasonic flowmeters in that corresponding openings are present in the measuring channel housing into which the ultrasonic transducers are inserted. Material and construction of the ultrasonic transducers are to be chosen so that a good acoustic coupling to the medium (liquid) is achieved. However, both the production of the assembled transducer and its subsequent installation and the sealing of the openings cause a significant effort in the production of flow meters.

Aus der DE 10221771 A1 ist bekannt, die Ultraschallwandler direkt auf der Außenwand des Messrohres, bzw. Messkanalgehäuses anzubringen (sogenannte Clamp-on-Technik). Der Ultraschallwandler sowie das Material einer zwischen Ultraschallwandler und Rohrwand eingefügten Ankoppelschicht sind dabei so zu wählen, dass eine möglichst gute Transmission der Ultraschallwellen durch die Rohr- bzw. Gehäusewand erreicht wird, was in der Praxis jedoch schwierig ist. Die somit meist weniger gute akustische Kopplung sowie die störende Schallausbreitung innerhalb des Materials des Messrohrs bzw. des Messkanalgehäuses schränken die erreichbare Messgenauigkeit zum Teil erheblich ein. Erschwerend kommt bei der Clamp-on-Technik hinzu, dass hierbei der mechanische Kontakt zwischen Schallwandler und Rohr- bzw. Gehäusewand meist lösbar bleiben soll und nicht geklebt, gelötet oder geschweißt werden kann, sodass hier zusätzlich fließfähige Koppelmaterialien eingesetzt werden müssen, die wiederum die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität der Messungen beeinträchtigen.From the DE 10221771 A1 It is known to mount the ultrasonic transducers directly on the outer wall of the measuring tube, or measuring channel housing (so-called clamp-on technique). The ultrasonic transducer and the material of a coupling layer inserted between the ultrasonic transducer and the tube wall are to be chosen such that the best possible transmission of the ultrasonic waves through the tube or housing wall is achieved, which is however difficult in practice. The thus usually less good acoustic coupling and the disturbing propagation of sound within the material of the measuring tube or the measuring channel housing limit the achievable accuracy in part considerably. To make matters worse in the clamp-on technique that here the mechanical contact between the transducer and tube or housing wall should remain mostly solvable and can not be glued, soldered or welded, so here additionally flowable coupling materials must be used, which in turn Affect reproducibility and long-term stability of the measurements.

Ebenfalls bekannt sind Messgeräte mit direkt auf dem Messrohr aufgesetzten Schallwandlern. So beschreibt z. B. die EP 1 413 858 B1 ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, bei welchem Ultraschallwandler über eine Anpassungsschicht direkt an einer Funktionsfläche befestigt sind, die integraler Bestandteil des Messrohrs ist. Hierbei ist die Wahl des Materials des Messrohrs entscheidend für die zu erreichende Messgenauigkeit. Denn insbesondere wenn die Messrohrwand aus Kunststoff besteht, erweist sich die Gewährleistung einer guten und von Prozessbedingungen unabhängigen akustischen Kopplung wegen der vergleichsweise hohen Schallabsorption und der starken Temperaturabhängigkeit der Schallabsorption im Material als schwierig.Also known are measuring devices with mounted directly on the measuring tube sound transducers. So describes z. B. the EP 1 413 858 B1 an ultrasonic flowmeter in which ultrasonic transducers are attached via a matching layer directly to a functional surface which is an integral part of the measuring tube. Here, the choice of the material of the measuring tube is crucial for the measurement accuracy to be achieved. In particular, if the measuring tube wall is made of plastic, ensuring a good and independent of process conditions acoustic coupling proves difficult because of the relatively high sound absorption and the strong temperature dependence of the sound absorption in the material.

Weiterhin ist aus der DE 10 2008 002 166 A1 ein Messsystem zur Bestimmung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler und einer Koppelschicht bekannt. Die Koppelschicht wird durch mit einer Kunststoffmasse gefüllte Rillen in der Messrohrinnen- oder -außenwand gebildet, wobei diese Rillen einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen und sich in Umfangsrichtung des Messrohres über den halben oder den ganzen Umfang erstrecken. Die so ausgeführte Koppelschicht teilt die vom Ultraschallwandler ausgesendete Ultraschallwelle in zwei Teilwellen auf, von denen die eine eine Ausbreitungsrichtungskomponente in und die andere eine Ausbreitungsrichtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums aufweisen. Somit kann ohne weitere Strahlumlenkung im Inneren des Messrohrs der Durchfluss mittels Laufzeitdifferenzverfahren ermittelt werden. An der Grenzfläche zwischen Messrohrwand und Koppelschicht tritt jedoch auch eine Reflexion der einfallenden Ultraschallwelle auf, so dass die Intensität der transmittierten Ultraschallwelle aufgrund dieser Struktur merklich geschwächt ist.Furthermore, from the DE 10 2008 002 166 A1 a measuring system for determining the flow of a measuring medium through a measuring tube with at least one ultrasonic transducer and a coupling layer known. The coupling layer is formed by grooves filled with a plastics material in the measuring tube inner or outer wall, these grooves having a triangular cross-section and extending in the circumferential direction of the measuring tube over half or the entire circumference. The coupling layer designed in this way divides the ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transducer into two partial waves, one of which has a propagation direction component in and the other a propagation direction component counter to the flow direction of the measured medium. Thus, the flow can be determined by means of transit time difference method without further beam deflection in the interior of the measuring tube. At the interface between measuring tube wall and coupling layer, however, a reflection of the incident ultrasonic wave also occurs, so that the intensity of the transmitted ultrasonic wave is markedly weakened due to this structure.

In der DE 198 61 074 A1 und der US 3,906,791 werden Schallleitkörper beschrieben, die in Bohrungen in der Messrohrwand angeordnet sind und auf der einen Seite mit den Ultraschallwandlern und auf der anderen Seite mit dem Messmedium direkt in Kontakt stehen.In the DE 198 61 074 A1 and the US 3,906,791 are described Schallleitkörper, which are arranged in bores in the measuring tube wall and on the one hand with the ultrasonic transducers and on the other side with the measuring medium in direct contact.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Messrohr für einen Ultraschall-Durchflussmesser sowie einen solchen Ultraschall-Durchflussmesser vorzuschlagen, bei welchem eine möglichst verlustarme akustische Einkopplung der Ultraschallwellen ins Messmedium ohne die genannten Nachteile gewährleistet wird.The present invention is based on the object of proposing a measuring tube for an ultrasonic flowmeter and such an ultrasonic flowmeter, in which a low-loss acoustic coupling of the ultrasonic waves into the measuring medium is ensured without the mentioned disadvantages.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Messrohr mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Ultraschalldurchflussmesser mit einem solchen Messrohr nach dem Patentanspruch 8. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 und 9 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. This problem is solved by a measuring tube having the features of patent claim 1 and an ultrasonic flowmeter having such a measuring tube according to patent claim 8. Dependent claims 2 to 7 and 9 describe advantageous refinements and developments of the invention.

Gemäß der Erfindung ist in der Wand des Messrohres (bzw. des Messkanalgehäuses) ein Einkopplungskörper zumindest teilweise eingebettet, wobei eine – freiliegende – Oberfläche des Einkopplungskörpers als Ankopplungsfläche dient, über welche die von einem Ultraschallwandler ausgesandten Ultraschallwellen in den Einkopplungskörper, von diesem in die Messrohrwand und von dort ins Messmedium eingekoppelt werden. Damit wird eine stufenweise Anpassung der Schallimpedanz ausgehend vom Ultraschallwandler (Piezokeramik) bis zum Messmedium (Flüssigkeit oder Gas) erreicht.According to the invention, a coupling body is at least partly embedded in the wall of the measuring tube (or of the measuring channel housing), wherein an exposed surface of the coupling body serves as a coupling surface, via which the ultrasonic waves emitted by an ultrasonic transducer enter the coupling body, from there into the measuring tube wall and from there into the measuring medium are coupled. This achieves a gradual adaptation of the sound impedance, starting from the ultrasonic transducer (piezoceramic) to the measuring medium (liquid or gas).

Diejenige Grenzfläche des Einkopplungskörpers, die der Ankopplungsfläche gegenüberliegt, ist zumindest abstandsweise strukturiert ausgebildet. Dabei ist diese Strukturierung geometrisch regelmäßig, insbesondere gezahnt, und rotationssymmetrisch ausgeführt. Die dabei Verwendung findende Strukturgröße (Abstand zweier benachbarter Punkte, an denen sich die Struktur wiederholt) ist kleiner als die halbe Wellenlänge des Ultraschalls in demjenigen verwendeten Material (von Einkopplungskörper und Messrohrwand), in welchem die Wellenlänge am kleinsten ist. Damit wird ein quasi-kontinuierlicher (und somit idealer) Übergang der akustischen Impedanz im Material erreicht.The interface of the coupling body, which is opposite to the coupling surface, is structured at least at intervals. In this case, this structuring is geometrically regular, in particular toothed, and rotationally symmetrical. The structure size used (distance of two adjacent points at which the structure repeats) is less than half the wavelength of the ultrasound in the material used (of coupling body and measuring tube wall) in which the wavelength is the smallest. This achieves a quasi-continuous (and thus ideal) transition of the acoustic impedance in the material.

Dabei kann die Ankopplung des Ultraschallwandlers an die Ankopplungsfläche des Einkopplungskörpers direkt oder über eine dazwischen liegende Anpassungsschicht erfolgen, deren Schallkennimpedanz zwischen der des Ultraschallwandlers und der des Einkopplungskörpers liegen sollte.In this case, the coupling of the ultrasound transducer to the coupling surface of the coupling body can take place directly or via an adaptation layer therebetween whose sound characteristic impedance should lie between that of the ultrasound transducer and that of the coupling-in body.

Die Schallkennimpedanz des insbesondere isotrop ausgeführten Einkopplungskörpers liegt vorzugsweise zwischen der Schallkennimpedanz des Ultraschallwandlers bzw. der Anpassungsschicht und der Schallkennimpedanz der Messrohrwand, insbesondere nahe oder bei dem geometrischen Mittel dieser beiden Schallkennimpedanzen.The acoustic characteristic impedance of the coupling body which is particularly isotropically designed preferably lies between the acoustic characteristic impedance of the ultrasonic transducer or the adaptation layer and the acoustic characteristic impedance of the measuring tube wall, in particular near or at the geometric mean of these two acoustic characteristic impedances.

Das Messrohr besteht in bevorzugter Ausführungsform aus Kunststoff (Spritzguss-), während der Einkopplungskörper aus Metall, Keramik oder Glaskeramik bestehen kann.In a preferred embodiment, the measuring tube is made of plastic (injection-molded), while the coupling-in body may consist of metal, ceramic or glass-ceramic.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Seitenflächen des Einkopplungskörpers, welche die Ankopplungsfläche einerseits und die Grenzfläche andererseits verbinden, strukturiert ausgeführt sind, sodass sie Schallwellen, welche aus dem Inneren des Einkopplungskörpers auftreffen, zerstreuend reflektieren. Damit wird verhindert, dass Ultraschallwellen sich in der Messrohrwand ausbreiten, was zu einer Verschlechterung des Messergebnisses führen würde.According to one embodiment of the invention it is provided that the side surfaces of the coupling body, which connect the coupling surface on the one hand and the boundary surface on the other hand, are structured, so that they reflect sound waves, which impinge from the interior of the coupling body, scattering. This prevents that ultrasonic waves propagate in the measuring tube wall, which would lead to a deterioration of the measurement result.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Einkopplungskörper zumindest abschnittsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Messrohrwand verbunden ist. Dadurch ist es möglich, das Messrohr mechanisch stabiler zu gestalten, sodass die Wandstärke des Messrohrs ohne Gefährdung der mechanischen Festigkeit des Messrohrs reduziert werden kann, was wiederum zu einer Verringerung der Schallabsorption führt.Furthermore, it can be provided that the coupling body is at least partially positively and / or non-positively connected to the measuring tube wall. This makes it possible to make the measuring tube mechanically stable, so that the wall thickness of the measuring tube can be reduced without compromising the mechanical strength of the measuring tube, which in turn leads to a reduction of the sound absorption.

Für eine besonders effektive Einkopplung des Ultraschalls in das Messmedium, also eine möglichst verlustarme Transmission durch die Messrohrwand ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stärke der Messrohrwand inklusive eingebettetem Einkopplungskörper in etwa ein ungeradzahliges Vielfaches des Viertels der Schallwellenlänge beträgt, vorzugsweise dreiviertel oder fünfviertel der Schallwellenlänge. Um eine Schallausbreitung innerhalb der Messrohrwand weiter zu unterdrücken, kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Einkopplungskörpers, welche die Ankopplungsfläche enthält, besonders groß ausgeführt ist, wobei der Durchmesser dieser Oberfläche abzüglich des Durchmessers des Ultraschallwandlers mindestens doppelt so groß sein sollte wie die Dicke des Einkopplungskörpers.For a particularly effective coupling of the ultrasound into the measuring medium, ie a low-loss transmission through the measuring tube wall is preferably provided that the thickness of the measuring tube wall including embedded coupling body is approximately an odd multiple of the quarter of the sound wave length, preferably three quarters or five quarter of the sound wave length. In order to further suppress sound propagation within the measuring tube wall, it may be provided that the surface of the coupling body which contains the coupling surface is made particularly large, the diameter of this surface minus the diameter of the ultrasonic transducer should be at least twice as large as the thickness of the ultrasonic transducer Einkopplungskörpers.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, das im Folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Dabei zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the embodiment which will be described below with reference to the figures. Showing:

1 ein Messrohr für einen Ultraschall-Durchflussmesser in perspektivischer Ansicht und 1 a measuring tube for an ultrasonic flow meter in perspective view and

2 einen Querschnitt durch einen Abschnitt der Wand des Messrohrs aus 1, jeweils in vereinfachter prinzipieller Darstellung. 2 a cross section through a portion of the wall of the measuring tube 1 , each in a simplified schematic representation.

Ein Messrohr 1 für einen Ultraschall-Durchflussmesser für fluide Medien (Gase und Flüssigkeiten) weist eine Messrohrwand 2 auf, die im Inneren einen Messkanal 3 umschließt, durch welchen das zu messende Fluid fließt. Auf der Oberseite des Messrohrs 1 sind in die aus Kunststoff bestehende Messrohrwand 2 zwei Einkopplungskörper 4 zumindest teilweise eingebettet. Auf der Oberseite 5 der Einkopplungskörper 4 ist etwa mittig jeweils ein elektromechanischer Ultraschallwandler 6 (z. B. eine Piezokeramik oder ein konfektionierter Ultraschallwandler) befestigt. Diese Befestigung kann mittels Kleber oder auch mittels einer Anpassungsschicht erfolgen, welche zwischen dem Ultraschallwandler 6 und dem darunter liegenden, als Ankopplungsfläche 7 dienenden Bereichs der Oberfläche 5 des Einkopplungskörpers 4 angeordnet ist und die Einkopplung des vom Ultraschallwandler 6 ausgesandten Ultraschalls in den Einkopplungskörper 4 durch Verringerung der Grenzflächenreflexion verbessert.A measuring tube 1 for an ultrasonic flowmeter for fluid media (gases and liquids) has a measuring tube wall 2 on, inside a measuring channel 3 encloses, through which flows the fluid to be measured. On the top of the measuring tube 1 are in the plastic measuring tube wall 2 two coupling bodies 4 at least partially embedded. On the top 5 the coupling body 4 is approximately in the middle of each one electromechanical ultrasonic transducer 6 (For example, a piezoceramic or a ready-made ultrasonic transducer) attached. This attachment can be done by means of adhesive or by means of an adaptation layer, which between the ultrasonic transducer 6 and the underlying, as a docking area 7 serving Area of the surface 5 of the launching body 4 is arranged and the coupling of the ultrasonic transducer 6 emitted ultrasound in the coupling body 4 improved by reducing the interfacial reflection.

Da die Schallkennimpedanz (die Impedanz des entsprechenden Materials für die verwendete Ultraschallwellenlänge) des Einkopplungskörpers 4 möglichst im geometrischen Mittel zwischen der Schallkennimpedanz des Ultraschallwandlers 6 (Wert 25 × 10⁶ kg/m²s) bzw. Anpassungsschicht und der Schallkennimpedanz des Kunststoffs der Messrohrwand 2 (Wert 6 × 10⁶ kg/m²s) liegen sollte, ist als Material für den Einkopplungskörper 4 Metall wie z. B. Aluminium (Wert 17 × 10⁶ kg/m²s), Keramik, Glas (Wert 13 × 10⁶ kg/m²s bis 24 × 10⁶ kg/m²s) oder Glaskeramik (Wert ca. 16 × 10⁶ kg/m²s) besonders vorteilhaft.Since the acoustic characteristic impedance (the impedance of the corresponding material for the ultrasonic wavelength used) of the launching body 4 preferably in the geometric mean between the sound characteristic impedance of the ultrasonic transducer 6 (Value 25 × 10 ⁶ kg / m ² s) or adaptation layer and the acoustic characteristic impedance of the plastic of the measuring tube wall 2 (Value 6 × 10 ⁶ kg / m ² s) is as material for the coupling body 4 Metal such. Example, aluminum (value 17 × 10 ⁶ kg / m ² s), ceramic, glass (value 13 × 10 ⁶ kg / m ² s to 24 × 10 ⁶ kg / m ² s) or glass ceramic (value about 16 × 10 ⁶ kg / m ² s) is particularly advantageous.

Der Einkopplungskörper 4 kann mit einer runden (wie im Ausführungsbeispiel) oder auch oval, quadratisch, rechteckig oder anders ausgeformten Oberfläche 5 versehen sein. Außerdem kann die Oberfläche 5 eben oder auch gewölbt, insbesondere konvex ausgeführt sein, so dass sie je nach Ausführung und Einbettungstiefe des Einkopplungskörpers 4 in der Messrohrwand 2 mit der Oberfläche 8 der Messrohrwand 2 bündig abschließt, darüber hinaus ragt oder auch vertieft angeordnet ist. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere die Unterseite des Ultraschallswandlers 6 an die Form der Oberfläche 5 (insbesondere der Ankopplungsfläche 7) des Einkopplungskörpers 4 angepasst ist, um eine möglichst gute Einkopplung des Ultraschalls in den Einkopplungskörper 4 zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte die Ankopplung des Ultraschallwandlers 6 an den Einkopplungskörper 4 nahezu scherkraftfrei erfolgen, um eine Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Wandlers 6 durch die Geometrie des Einkopplungskörpers 4 zu verhindern. Dies wird durch Einfügung der Anpassungsschicht zwischen Ultraschallwandler 6 und Ankopplungsfläche 7 erreicht, da so die radialresonanten Eigenschaften des Einkopplungskörpers 4 unterdrückt werden können.The coupling body 4 can with a round (as in the embodiment) or oval, square, rectangular or otherwise shaped surface 5 be provided. Besides, the surface can be 5 be flat or curved, in particular convex, so that they depending on the design and depth of embedding of the coupling body 4 in the measuring tube wall 2 with the surface 8th the measuring tube wall 2 flush ends, protrudes beyond or is arranged deepened. It should be noted that in particular the underside of the ultrasonic transducer 6 to the shape of the surface 5 (In particular the coupling surface 7 ) of the launching body 4 is adapted to the best possible coupling of the ultrasound in the coupling body 4 to ensure. In addition, the coupling of the ultrasonic transducer should 6 to the coupling body 4 virtually shear force free, to influence the resonant frequency of the transducer 6 through the geometry of the launching body 4 to prevent. This is done by inserting the matching layer between ultrasonic transducers 6 and docking area 7 achieved, since so the radial resonant properties of the coupling body 4 can be suppressed.

Die der Oberfläche 5 gegenüber liegende Grenzfläche 9 des Einkopplungskörpers 4 ist gezahnt ausgeführt, wobei der Abstand d zweier benachbarter Zähne (die Strukturgröße der Zahnung) kleiner ist als die halbe Ultraschallwellenlänge in demjenigen der für den Einkopplungskörper 4 und die Messrohrwand 2 verwendeten Materialien, in welchem die Ultraschallwellenlänge kleiner ist. Dies ist je nach Verwendung des Materials für den Einkopplungskörper 4 (Metall, Keramik, Glas oder Glaskeramik) unterschiedlich. Indem der Abschnitt der Messrohrwand 2 unterhalb des Einkopplungskörpers 4 spiegelbildlich zur Grenzfläche 9 mit gleicher Strukturgröße ausgebildet ist, ist gewährleistet, dass der überwiegende Teil des eingekoppelten Ultraschalls vom Einkopplungskörper 4 in den darunter liegenden Abschnitt der Messrohrwand 2 transmittiert und nur ein möglichst verschwindend geringer Anteil an der Grenzfläche 9 reflektiert wird.The surface 5 opposite interface 9 of the launching body 4 is toothed executed, wherein the distance d of two adjacent teeth (the structure size of the toothing) is smaller than half the ultrasonic wavelength in that of the coupling body 4 and the measuring tube wall 2 used materials in which the ultrasonic wavelength is smaller. This is depending on the use of the material for the launching body 4 (Metal, ceramic, glass or glass ceramic) differently. By the section of the measuring tube wall 2 below the launching body 4 mirror image of the interface 9 is formed with the same structure size, it is ensured that the majority of the coupled-in ultrasound from the coupling body 4 into the underlying section of the measuring tube wall 2 transmits and only a smallest possible share of the interface 9 is reflected.

Die Seitenflächen 10 des Einkopplungskörpers 4 (insbesondere der im Messrohr 2 eingebettete Teil davon) sind ebenfalls strukturiert ausgeformt. Dies erhöht zum einen die kraft – und formschlüssige Verbindung zwischen Einkopplungskörper 4 und Rohrwand 2 und damit die mechanische Stabilität des Messrohrs 1 (ebenso wie die Zahnung der Grenzfläche 9). Die Strukturierung der Seitenflächen 10 des Einkopplungskörpers 4 verhindern aber darüber hinaus auch noch die laterale Ultraschalleinkopplung in die Messrohrwand 2 und damit eine ungewollte Ultraschallpropagation zwischen den beiden Ultraschallwandlern durch die Messrohrwand 2.The side surfaces 10 of the launching body 4 (especially the one in the measuring tube 2 embedded part thereof) are also structured formed. On the one hand, this increases the positive and positive connection between the coupling body 4 and pipe wall 2 and thus the mechanical stability of the measuring tube 1 (as well as the toothing of the interface 9 ). The structuring of the side surfaces 10 of the launching body 4 Moreover, they also prevent lateral ultrasound coupling into the measuring tube wall 2 and thus an unwanted ultrasonic propagation between the two ultrasonic transducers through the measuring tube wall 2 ,

Da durch die Einbettung des Einkopplungskörpers 4 in die Messrohrwand 2 die mechanische Stabilität des Messrohrs erhöht wird, kann das Messrohr insgesamt relativ dünnwandig ausgeführt sein. Dadurch und durch die Tatsache, dass unterhalb des Einkopplungskörpers 4 nur noch ein Bruchteil der gesamten Stärke c der Messrohrwand 2 von Ultraschall durchstrahlt werden muss, wird die ansonsten in Kunststoff zu erwartende relativ hohe Schallabsorption deutlich vermindert und auch somit das Messsignal verstärkt und die Messgenauigkeit erhöht. Andererseits kann auch die Sendeleistung der Ultraschallwandler verringert werden, wodurch die benötigte Batteriekapazität gesenkt und/oder die Batterielebensdauer verlängert wird.Because of the embedding of the coupling body 4 into the measuring tube wall 2 the mechanical stability of the measuring tube is increased, the measuring tube can be made relatively thin overall. Thereby, and by the fact that below the launching body 4 only a fraction of the total thickness c of the measuring tube wall 2 must be irradiated by ultrasound, the otherwise expected in plastic relatively high sound absorption is significantly reduced and thus amplifies the measurement signal and increases the accuracy. On the other hand, the transmission power of the ultrasonic transducers can be reduced, whereby the required battery capacity is reduced and / or the battery life is extended.

Im Inneren des Messrohrs 1, im Messkanal 3, befinden sich – wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt – nicht gezeichnete Umlenkspiegel, welche den Ultraschall, der von einem der beiden Ultraschallwandler 6 ausgesendet wurde, in Längsrichtung des Messrohres 1 umlenken und dann auch wieder in Richtung zu dem anderen der beiden Ultraschallwandler 6 aus dem Messkanal 3 heraus durch die Messrohrwand 2 und den unterhalb des anderen Ultraschallwandlers 6 angeordneten Einkopplungskörpers 4 umlenken. Da die beiden Ultraschallwandler 6 abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden, kann die Laufzeit des Ultraschallsignals sowohl in als auch gegen Strömungsrichtung des Fluids gemessen und aus dem Unterschied dieser Laufzeiten auf die Strömungsgeschwindigkeit und mittels der Geometrie des Messkanals 3 auf den Durchfluss des Fluids geschlossen werden.Inside the measuring tube 1 , in the measuring channel 3 , are - as well known from the prior art - not shown deflection mirror, which is the ultrasound generated by one of the two ultrasonic transducers 6 was sent out, in the longitudinal direction of the measuring tube 1 turn and then again towards the other of the two ultrasonic transducers 6 from the measuring channel 3 out through the measuring tube wall 2 and below the other ultrasonic transducer 6 arranged coupling body 4 redirect. Because the two ultrasonic transducers 6 can be operated alternately as a transmitter and receiver, the transit time of the ultrasonic signal measured both in and against the flow direction of the fluid and from the difference of these maturities on the flow velocity and by means of the geometry of the measuring channel 3 be closed on the flow of the fluid.

Über den durch die Erfindung geschaffenen Gradienten in der Schallimpedanz vom Wandler bis zum Fluid wird der Einfluss von Temperaturschwankungen und Materialalterung (z. B. des Kunststoffes) auf den Transmissionsgrad bzw. -faktor des Gesamtaufbaus verringert und so eine langzeitstabile und vom Prozess (Temperatur, Eigenschaften des Messmediums) unabhängige akustische Kopplung bei gleichzeitiger Reduktion des Herstellungs-(Anzahl der Konstruktionselemente und Fertigungsschritte) wie des Montageaufwands (Positionierung und Klebung nach exaktem zeitlichem Regime) erreicht.Over the gradient in the acoustic impedance from the transducer to the fluid created by the invention, the influence of temperature fluctuations and material aging (eg of the plastic) on the transmittance or factor of the overall structure is reduced and thus a long-term stable and by the process (temperature, Characteristics of the measuring medium) independent acoustic coupling while reducing the manufacturing (number of design elements and manufacturing steps) as the installation effort (positioning and bonding according to exact time regime) achieved.

Claims

Measuring tube ( 1 ) for a fluid flow ultrasonic flowmeter having at least one interface ( 7 ) for coupling an ultrasonic transducer ( 6 ), the coupling surface ( 7 ) Part of a launching body ( 4 ) that is at least partially in the wall ( 2 ) of the measuring tube ( 1 ) is embedded, characterized in that the opposite of the coupling surface ( 7 ) ( 9 ) of the launching body ( 4 ) is at least partially geometrically regularly structured such that the structuring of the interface ( 9 ) is rotationally symmetrical and that the structure size of the structured section of the interface ( 9 ) is less than half the sound wavelength in the material used with the smallest sound wavelength.

Measuring tube according to claim 1, characterized in that the sound characteristic impedance of the preferably isotropic coupling body ( 4 ) between the acoustic characteristic impedance of the ultrasonic transducer ( 6 ) and the measuring tube wall ( 2 ), in particular near or at the geometric mean of the acoustic characteristic impedances of ultrasound transducers ( 6 ) and measuring tube wall ( 2 ), lies.

Measuring tube according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring tube ( 1 ) made of plastic and the coupling body ( 4 ) consist of metal, ceramic, glass or glass ceramic.

Measuring tube according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling surface ( 7 ) and the interface ( 9 ) of the launching body ( 4 ) connecting side surfaces ( 10 ) are structured in such a way that they reflect impinging sound waves scattering.

Measuring tube according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling-in body ( 4 ) at least partially positively and / or non-positively with the measuring tube wall ( 2 ) connected is.

Measuring tube according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the measuring tube wall ( 2 ) with embedded coupling body ( 4 ) is an odd multiple of the quarter of the sound wavelength, preferably three quarters or five quarters of the sound wavelength.

Measuring tube according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the coupling surface ( 7 ) surface ( 5 ) of the launching body ( 4 ) minus the diameter of the ultrasonic transducer ( 6 ) (2 times a) is at least twice as large as the thickness (b) of the coupling body.

Ultrasonic flow meter for fluid media with a control and evaluation electronics including power supply and with a measuring tube according to one of the preceding claims, characterized in that spaced from each other two coupling body ( 4 ) are provided on their surfaces ( 5 ), preferably in the center, in each case an ultrasonic transducer ( 6 ) on the docking surface ( 7 ) is attached.

Ultrasonic flowmeter according to claim 8, characterized in that between the ultrasonic transducers ( 6 ) and the respective coupling surface ( 7 ) is provided in each case an adaptation layer, the acoustic characteristic impedance between which of the respective ultrasonic transducer ( 6 ) and that of the corresponding interface ( 7 ) carrying launching body ( 4 ), preferably close to or at the geometric mean of the two acoustic characteristic impedances.