DE10062874B4

DE10062874B4 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE10062874B4
Application number: DE2000162874
Authority: DE
Inventors: Hans Michael Sonnenberg
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2000-12-16
Filing date: 2000-12-16
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-12-17
Also published as: DE10062874A1

Abstract

Durchflußmesser (1) für flüssige oder gasförmige Medien mit einer zumindest teilweise durchströmten Meßkammer (2), mindestens einem Einlaß- (3) und mindestens einem Auslaßkanal (4) sowie mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Aussenden und/oder zum Empfangen von Ultraschallsignalen (6), die die Meßkammer (2) mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, sowie einer Sende-Empfangseinheit (5), die einen ersten (8) und einen zweiten aktiven Bereich (9) aufweist, wobei sowohl der erste (8) als auch der zweite aktive Bereich (9) dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen (6) dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangseinheit (5) auf einen Träger (10) integriert ist und eine Hülse (20) vorgesehen ist, die den Träger (10) mit der Sende-Empfangseinheit (5) umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Bei Durchflußmeßgeräten zur Ultraschallmessung stellen die kostenintensivsten Bauteile neben der Elektronik die Ultraschall-Sende-/Empfangsanordnungen sowie die Temperaturfühler dar. Gleichzeitig besteht die Notwendigkeit, diese Meßanordnungen möglichst klein aufzubauen, um einen kompakten Ultraschallzähler zu erhalten. Da sich die Ultraschallgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Fluideigenschaften Dichte und Kompressibilität und damit auch mit der Temperatur ändert, ist eine Differenzmessung vorteilhaft. Hierbei wird gleichzeitig die Laufzeit in Strömungsrichtung und die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung bestimmt, wobei aus der Bestimmung der gemessenen Laufzeiten eine gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden kann.

Aus DE 196 05 164 C2 ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige oder gasförmige Medien bekannt, in dessen Meßkammer Ultraschall-Wandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen vorgesehen sind, die die Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen. Diese Ultraschall-Wandler sind dabei um 180° versetzt im Meßkanal angeordnet und erfordern demnach einen entsprechend angepaßten Aufbau der Meßkammer bzw. des Meßkanals. Um die Meßsignale der Ultraschall-Wandler an die elektronische Auswerteeinrichtung zu leiten, ist außerdem eine entsprechende Verbindung der jeweiligen zueinander versetzten Ultraschall-Wandler zur Auswerteeinrichtung erforderlich.

Aus DE 42 13 170 C2 geht ein Ultraschall-Durchflußmesser für fluide Medien hervor, bei dem der Meßkanal schnecken- oder wendelförmig aufgewickelt ist und in dem ein Ultraschallwandler im Einmündungsbereich des Eingangskanals und der andere im Einmündungsbereich des Ausgangskanals angeordnet ist. Die Frequenz der Ultraschallwandler ist derart abgestimmt auf den engen Meßkanal gewählt, dass dieser wie ein Wellenleiter nur die Fortpflanzung einer longitudinalen Welle mit einer einzigen Quermode über den Querschnitt zulässt.

Die DE 197 25 717 A1 offenbart einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchflußmesser mit einem zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordneten flüssigkeitsdurchströmten Meßrohr sowie einer piezoelektrischen Keramikscheibe, die beidseits mit elektrische Anschlussleitungen aufweisenden Elektroden versehen ist. Die Elektroden sind auf die Keramikscheibe aufgeklebte flexible Leiterplatten mit vorgefertigt angebrachten Anschlußleitungen.

Aus DE 33 06 529 C2 geht ein Ultraschallwandler zur Wärmemengenmessung mit mindestens zwei einen Wandlerkörper einschließenden Elektroden hervor, wobei eine der Elektroden als Temperaturmeßwiderstand mit zwei Anschlüssen ausgeführt ist.

Aus DE 195 33 814 A1 ist eine Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflussmessung von Fluiden in Rohrleitungen mit einem vom Fluid durchströmten Messkanal und mit Ultraschallwandlern bekannt, wobei ein über seine Länge hin stetig seine Richtung gegenüber einem Einlaß- und Auslassstutzen verändernden Meßkanal vorgesehen ist. Die Ultraschallwandler sind oberhalb des Ein- bzw. Auslasses in den Meßkanal beabstandet zueinander angeordnet.

In EP 1 106 975 ist ein Ultraschalldurchflussmesser beschrieben, der einen Ultraschallsensor umfasst, der auf beiden Seiten ein piezoelektrisches Material aufweist. Zwischen den beiden piezoelektrischen Seiten ist ein elastisches Material angeordnet, durch welches die beiden piezoelektrischen Materialien nicht akkustisch miteinander in Verbindung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß ein kompakter Aufbau ermöglicht wird und dessen Montage einfacher durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflußmessers ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-32.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser ist eine Sende-Empfangseinheit vorgesehen, die einen ersten und eine zweiten aktiven Bereich aufweist, wobei sowohl der erste als auch der zweite aktive Bereich dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen dient. Außerdem ist die Sende-Empfangseinheit auf einem Träger integriert und es ist eine Hülse vorgesehen, die den Träger mit der Sende-Empfangseinheit umschließt. Die aktiven Bereiche können dabei jeweils aus einem Ultraschallwandler bestehen. Durch die Integration des ersten sowie des zweiten aktiven Bereichs in eine Empfangseinheit halbieren sich alle Kontaktierungs- und Anschlußkosten, die für eine getrennte Sende- und Empfangsanordnung anfallen würden. An dem Gehäuse braucht außerdem nur noch ein abzudichtender Durchbruch angebracht sein, um die Sende-Empfangseinheit nach außen zu einer Auswerteelektronik zu führen. Der gesamte Durchflußmesser kann durch die Sende-Empfangseinheit äußerst kompakt ausgeführt werden. Auch der Einbau der Ultraschallwandler kann durch die Integration in der Sende-Empfangseinheit schneller und damit kostengünstiger erfolgen. Indem die Sende-Empfangseinheit auf einen Träger integriert ist, können. auf diesem Träger die elektrischen Leitungen angeordnet sein und dort mit den Ultraschallwandlern oder anderen aktiven Komponenten in Verbindung stehen. Nach außen können die elektrischen Leitungen sowohl an die elektronische Auswerte- bzw.

Sendeeinrichtung angeschlossen sein. Indem die Hülse den Träger mit der Sende-Empfangseinheit umschließt, wird eine handhabbare Einheit geschaffen, die nach außen sicher abgedichtet ist.

Die von den aktiven Bereichen ausgesendeten Ultraschallsignale weisen unterschiedliche Schallausbreitungsrichtungen auf, wobei die Ultraschallsignale auf dem jeweils gegenüberliegenden aktiven Bereich auftreffen. Damit kann z. B. die Laufzeit in Strömungsrichtung und die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung bestimmt werden und daraus kann die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden.

Zweckmäßigerweise können die Ultraschallsignale eine entgegengesetzte Schallausbreitungsrichtung aufweisen. Die entgegengesetzten Schallausbreitungsrichtungen von den Ultraschallwandlern können dabei auf einer gemeinsamen geometrischen Achse liegen. Diese Anordnung gewährleistet zum einen den gleichen Weg der entgegengesetzten Ultraschallsignale und ermöglicht zum anderen einen einfachen Aufbau der Sende-Empfangseinheit. Die Schallführung kann dabei über Reflektoren erfolgen.

Der Träger kann auch direkt mit einer Leiterplatte in Verbindung stehen bzw. auf eine Leiterplatte geführt sein, auf welcher sowohl die Auswerteelektronik als auch die Ultraschallerzeugung angeordnet sein kann. Zweckmäßigerweise kann beidseitig des Trägers ein aktiver Bereich vorgesehen sein.

Sowohl der erste als auch der zweite aktive Bereich können jeweils aus einem Ultraschallwandler bestehen, der jeweils als Ultraschallsender als auch als Ultraschallempfänger fungiert. Als Ultraschallwandler können insbesondere piezoelektrische Bauteile vorgesehen sein. Der Schall wird mittels dieser Konstruktion in zwei unterschiedliche Richtungen, ausgehend von dem jeweiligen Ultraschallwandler, durch die Meßstrecke geleitet und von dem jeweils gegenüberliegenden Ultraschallwandler empfangen und in elektrische Signale umgewandelt.

Die Ultraschallwandler bzw. die piezoelektrischen Bauteile können beidseitig des Trägers angeordnet sein, so daß der Träger in der Meßkammer nur noch zentriert angeordnet werden muß, damit die in die entgegengesetzten Richtungen ausgesendeten Ultraschallsignale den gleichen Weg zurücklegen.

Ein alternativer Aufbau einer Sende-Empfangseinheit umfaßt einen mittig angeordneten Ultraschallwandler, insbesondere ein mittig angeordnetes piezoelektrisches Bauteil zum Aussenden der Ultraschallsignale, an dessen gegenüberliegenden Seiten Drucksensoren zum Empfang der die Strömung durchsetzten Ultraschallsignale angeordnet sind. Für die Messung wird das piezoelektrische Bauteil mit einem Burst angeregt, welcher gleichzeitig ein Schallsignal in entgegengesetzte Richtungen und damit mit und gegen die Strömungsrichtung sendet. Über die Drucksensoren können nun die entgegengesetzten Schallsignale empfangen werden.

Als piezoelektrische Bauteile können vorteilhafterweise piezokeramische Bauteile vorgesehen sein, welche sich durch ihre Formstabilität, Langzeit- und Temperaturbeständigkeit sowie gleichbleibenden piezoelektrischen Eigenschaften auszeichnen. Die piezoelektrischen Bauteile können scheibenförmig ausgebildet sein und stellen somit platzsparende Bauteile dar, die bei der zweiten Ausführungsvariante ausreichend Platz für die darauf angeordneten Drucksensoren bieten.

Als piezoelektrische Bauteile können demnach insbesondere piezokeramische Scheiben vorgesehen sein, die die oben geschilderten Vorteile von Form und Werkstoff kombinieren.

Beidseitig der jeweiligen piezoelektrischen Bauteile können zur Erzeugung des elektrischen Feldes Elektroden angeordnet sein. Insbesondere in der ersten Ausführungsvariante mit den zwei Ultraschallwandlern kann das jeweilige piezoelektrische Bauteil mindestens eine Elektrode aufweisen, welche um den Rand der Scheibe geführt ist und den Träger auf einer Seite der Scheibe kontaktiert. Die jeweilige Elektrode steht mit den auf dem Träger geführten elektrischen Leitungen in Verbindung. Die Kontaktierung kann gelötet, mit leitfähigem Kleber verklebt oder mittels eines Leitgummis hergestellt werden. Die andere Seite der Elektrode ist dem zu messenden Medium zugewandt, so daß sich zwischen den beiden Seiten der. Elektrode am piezoelektrischen bzw. eletrostriktiven Bauteil ein elektrisches Feld ausbildet, das zu einer der Stärke des elektrischen Feldes proportionalen mechanischen Schwingung führt.

Um bei der zweiten Ausführungsvariante mit nur einem mittig angeordneten piezoelektrischen Bauteil eine Schall-Spannungswandlung zu unterbinden, werden beim Empfangen die Elektroden kurz geschlossen.

Der Träger kann insbesondere bei der ersten Ausführungsvariante im Bereich der Sende-Empfangseinheiten ultraschalldämpfend ausgestaltet sein, um eine rückseitige Übertragung der von dem Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallsignale zu unterbinden, so daß nur die das Medium durchsetzten Ultraschallsignale den gegenüberliegenden Ultraschallwandler erreichen können.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, einen Temperaturfühler auf bzw. in den Träger zu integrieren. Auf diese Weise ist für den Einsatz des Temperaturfühlers keine weitere, abzudichtende Bohrung erforderlich.

Der Temperaturfühler kann unter der Sende-Empfangseinheit bzw. am unteren Ende des Trägers angeordnet sein und behindert dadurch nicht die Ultraschall-Messung. Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung bei Wärmezählern, da der integrierte Temperaturfühler für die Wärmemengenmessung genutzt werden kann. Mit besonderem Vorteil kann der Temperaturfühler als Platinwiderstandsfühler ausgebildet sein. Zur Aufnahme des Temperaturfühlers kann der Träger stabartig ausgebildet sein. Damit der Temperaturfühler an der optimalen Meßstelle im Medium liegt, kann der Träger über den Rand der Keramik verlängert und stabförmig weitergeführt sein. Zur Reduzierung des thermischen Widerstandes kann am Temperaturfühler eine Wärmeleitpaste angebracht sein.

Der Träger kann im Bereich der Sende-Empfangseinheit Öffnungen bzw. Durchbrüche zur Ultraschalldämpfung aufweisen, um eine rückwärts gerichtete Schallwelle beim Empfang zu verhindern. Dies ist dann der Fall, wenn die Reststege kleiner als λ/4 der Schallwelle sind. Die Ausgestaltung der Öffnungen muß dabei so erfolgen, daß die Druckaufnahme beim Empfang noch ausreichend gewährleistet ist.

Neben dem Träger mit Sende-Empfangseinheit kann auch der Temperaturfühler von der Hülse umschlossen sein, so daß eine handhabbare Einheit geschaffen wird, die nach außen sicher abgedichtet ist. Die Hülse ist dabei der Trägergeometrie entsprechend angepaßt und unterstützt somit die Kompaktheit der Meßanordnungen sowie des gesamten Durchflußmessers. Die Hülse kann entweder ein Kunststoffspritzgußteil oder ein metallisches Tiefziehteil sein.

Auf der Meßkammer kann eine Abdeckplatte vorgesehen sein, durch die die Hülse in die Meßkammer eingeführt ist. Wie oben bereits ausgeführt, muß durch die Integration der Ultraschallwandler sowie des Temperaturfühlers an den Träger bzw. an die Hülse nur noch eine abzudichtende Bohrung an der Abdeckplatte angebracht werden.

Um den Schall im wesentlichen ringförmig durch die Meßkammer zu leiten sowie das Medium in bzw. gegen die Strömungsrichtung zu durchsetzen, eignet sich im besonderen die Wirbelmeßkammer. Die Einlaßkanäle können dabei randseitig angeordnet sein, wobei ein Auslaßkanal mittig angeordnet ist, so daß eine rotierend umlaufende Bewegung des zu messenden Mediums stattfindet. Bei dieser Anordnung kann der Temperaturfühler im Auslaßkanal mittig angeordnet sein, wird damit nicht vom Ultraschall-Signal durchsetzt und vom zu messenden Medium gleichmäßig umströmt.

Alternativ zur Wirbelmeßkammer kann auch eine gerade Meßstrecke vorgesehen sein. Eine derartige Meßkammer kann zweckmäßigerweise in einen für die Strömung abgeschlossenen Bereich sowie einen durchströmten Bereich eingeteilt sein, wobei die Sende-Empfangseinheit im für die Strömung abgeschlossenen Bereich angeordnet ist. Das Ultraschallsignal wird bei dieser Konstruktion in vertikaler sowie horizontaler Richtung durch die Meßkammer geleitet. Die Abtrennung der Meßkammer in einen für die Strömung abgeschlossenen sowie einen durchströmten Bereich ist notwendig, damit das jeweils in einer Richtung laufende Ultraschallsignal die Strömung nur in einer Richtung, d. h. in oder gegen die Strömungsrichtung, durchsetzt.

Als weitere Ausführungsvariante kann es vorgesehen sein, daß die beiden Ultraschallwandler um 90° versetzt zueinander auf dem Träger angeordnet sind. Diese Variante kann sowohl bei der Wirbelmeßkammer als auch bei einer geraden Meßstrecke vorgesehen sein. Der Träger ist dabei vorteilhafterweise außerhalb der Meßkammer angeordnet und ist demnach nicht dem strömenden oder stehendem Medium ausgesetzt. Die Ultraschallsignale durchsetzen den Träger in diesem Fall im 90°-Winkel.

Der für die Strömung abgeschlossene Bereich kann entweder aus einem schalleitenden Körper oder aus dem stehenden flüssigen oder gasförmigen Medium bestehen, wobei im letzteren Fall die Abtrennung zum durchströmten Bereich zumindest teilweise mittels einer für den Ultraschall durchgängigen Membran erfolgen kann. Die Abtrennung kann auch zusätzlich in den vom Ultraschallsignal nicht durchsetzten Bereichen durch eine starre Konstruktion erfolgen.

In der jeweiligen Ausführungsform kann der Temperaturfühler außerhalb des intensiven Ultraschallstrahls angeordnet sein, so daß seine Meßwerte nicht durch den Ultraschall verfälscht werden und andererseits der Ultraschall durch den in das Medium hineinragenden Temperaturfühler nicht gebremst oder abgelenkt wird.

Zur Leitung der Ultraschallsignale ohne wesentliche Druckverluste kann mindestens ein Reflektor an der Meßkammerwand vorgesehen sein, der die Ultraschallsignale in und/oder gegen die Richtung der Strömung durch die Meßkammer leitet.

Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Wirbelmeßkammer;
2 eine Ansicht der Wirbelmeßkammer gemäß 1 in Blickrichtung II – II;
3 eine Schnittdarstellung einer Meßkammer mit im wesentlichen laminarer Strömung;
4a einen Schnitt durch eine Sende-Empfangseinheit;
4b die Sende-/Empfangseinheit gemäß 4a in Blickrichtung IV – IV;
5a einen Schnitt durch eine Sende-Empfangseinheit mit einem Temperaturfühler;
5b die Sende-Empfangseinheit gemäß 5a in Blickrichtung V – V;
6 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Sende-Empfangseinheit;
7 eine Vorderansicht eines Trägers sowie
8 einen Schnitt durch eine weitere alternative Ausführungsform einer Sende-Empfangseinheit.
Bezugsziffer 1 bezeichnet den Durchflußmesser in seiner Gesamtheit. Der Durchflußmesser 1 dient der Mengenmessung des hindurchströmenden, flüssigen oder gasförmigen Mediums. Gemäß 1 besteht der Durchflußmesser aus einer Meßkammer 2, durch das zu messende Medium strömt, sowie mehreren Einlaßkanälen 3. Wie aus der Schnittdarstellung gemäß 2 hervorgeht, ist ein Auslaßkanal 4 mittig im unteren Bereich der Meßkammer 2 angeordnet. In der Meßkammer 2 befinden sich außerdem Ultraschallwandler zum Aussenden bzw. Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Strömung in der Meßkammer 2 durchsetzen. Erfindungsgemäß ist eine Sende-Empfangseinheit 5 vorgesehen, die einen ersten 8 und einen zweiten aktiven Bereich 9 aufweist, wobei sowohl der erste 8 als auch der zweite aktive Bereich 9 dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen 6 dient (siehe 4a, 5a, 6 sowie 8). Eine Auswerte- und Sendeeinrichtung für die Meßsignale der Sende-Empfangseinheit 5 ist in den Zeichnungsfiguren nur nicht dargestellt, ist jedoch üblicherweise außerhalb der Meßkammer 2 angeordnet. Die Integration von zwei aktiven Bereichen 8, 9 in der Sende-Empfangseinheit 5, wobei die aktiven Bereiche 8, 9 sowohl dem Senden als auch Empfangen von Ultraschallsignalen 6 dienen, ermöglicht einen kompakten Aufbau des Durchflußmessers 1 als auch eine Reduzierung der Kontaktierungs- und Anschlußkosten für die Sende-Empfangseinheit 5.
Die von dem jeweiligen aktiven Bereich (8, 9) ausgesendeten Ultraschallsignale 6 weisen unterschiedliche Schallausbreitungsrichtungen auf, wobei die Ultraschallsignale 6 auf dem jeweils gegenüberliegenden aktiven Bereich 9, 8 auftreffen. Die Schallausbreitungsrichtungen können in und gegen die Strömungsrichtung des Mediums gerichtet sein. Durch die Bestimmung der Laufzeit der in unterschiedlichen Richtzungen laufenden Ultraschallsignale kann die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit des Mediums errechnet werden. Die entgegensetzten Schallausbreitungsrichtungen liegen dabei auf einer gemeinsamen geometrischen Achse. Dadurch ist sichergestellt, daß die entgegengesetzt laufenden Ultraschallsignale 6 den identischen Weg zurücklegen.
Wie insbesondere aus den 4 – 6 und 8 hervorgeht, ist die Sende-Empfangseinheit 5 auf einen Träger 10 integriert bzw. an dem Träger 10 angeordnet. Beidseitig des Trägers 10 ist jeweils ein aktiver Bereich 8, 9 versehen. Auf dem Träger 10 sind außerdem die elektrischen Leitungen 30 geführt, die zur Erzeugung der Ultraschallwellen erforderlich sind sowie die empfangenen Meßsignale an die Auswerte- und Sendeeinrichtung weiterleiten. Der Träger 10 kann durch die integrierte Sende-Empfangseinheit 5 auch direkt mit einer Leiterplatte verbunden sein, die die erforderlichen elektrischen bzw. elektronischen Bauteile zur Erzeugung des elektrischen Feldes bzw. zur Auswertung der empfangenen Meßsignale aufweist.
In einer ersten Ausführungsvariante gemäß den 4 und 5 bestehen sowohl der erste aktive Bereich 8 als auch der zweite aktive Bereich 9 jeweils aus einem piezoelektrischen Bauteil, welche beidseitig des Trägers 10 angeordnet sind. Die piezoelektrischen Bauteile stellen dabei piezokeramische Scheiben 11, 12 dar, welche sowohl als Sender als auch bei Umkehrung des piezoelektrischen Effektes als Empfänger genutzt werden. Die Scheibenform der Ultraschallwandler hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen und ist besonders platzsparend.
Die jeweilige piezokeramische Scheibe 11, 12 weist eine Elektrode auf, welche um den Rand der jeweiligen Scheibe 11, 12 geführt ist und den Träger 10 auf einer Seite der Scheibe 11, 12 kontaktiert. Die jeweilige Elektrode ist jedoch in den Zeichnungsfiguren 4 und 5 nicht näher dargestellt.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß 6 umfaßt die Sende-Empfangseinheit 5 eine mittig angeordnete piezokeramische Scheibe 12, an deren gegenüberliegenden Seiten Drucksensoren 15, 16 angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion wird nur noch die piezokeramische Scheibe 14 für die Schallemission benötigt. Für die Messung wird die piezokeramische Scheibe 14 mit einem Burst angeregt und sendet nun durch die Drucksensoren hindurch gleichzeitig das Ultraschallsignal 6 mit und gegen die Strömungsrichtung des Mediums. Über die Drucksensoren 15, 16 wird gleichzeitig die Laufzeit der gegenläufigen Ultraschallsignale 6 ermittelt.
Zur Anregung der piezokeramischen Scheibe 14 sind auch in diesem Fall beidseitig Elektroden 13, 13' angeordnet, die auf dem Träger 10 mit den elektrischen Leitungen 30 kontaktiert sind. Die Elektroden 13, 13' werden im Empfangsfall kurz geschlossen, um ein Übersprechen zu verhindern.
Der Träger 10 ist insbesondere im Bereich der Sende-Empfangseinheit 5 ultrschalldämpfend ausgestaltet, damit eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Empfang der Ultraschallsignale 6 von dem Ultraschallwandler, der die Ultraschallsignale ausgesendet hat, verhindert wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Sende-Empfangseinheit 5 geht aus den 5a und 5b hervor, bei welchen der Temperaturfühler 17 in den Träger 10 integriert ist. Der integrierte Temperaturfühler 17 kann für die Wärmemengenmessung genutzt werden. Der Temperaturfühler 17 ist dabei unter der Sende-Empfangseinheit 5 bzw. am unteren Ende 18 am Träger 10 angeordnet, so daß der Temperaturfühler 17 kein Hindernis für die auf die aktiven Bereiche 8, 9 auftreffenden bzw. von den aktiven Bereichen 8, 9 abgesendeten Ultraschallsignalen darstellt. Der Träger 10 ist zur Aufnahme des Temperaturfühlers 17 stabartig ausgebildet. Zur Reduzierung des thermischen Widerstandes ist am Temperaturfühler 17 eine Wärmeleitpaste angeordnet.
Wie in 7 dargestellt, weist der Träger 10 im Bereich der Sende-Empfangseinheit 5 Öffnungen 19 auf, um rückwärtsgerichtete Schallwellen zu unterbinden. Die Ausgestaltung erfolgt dabei derart, daß die Druckaufnahme noch gewährleistet ist.
Eine Hülse 20 umgibt den Träger 10 mit der Sende-Empfangseinheit 5 und den Temperaturfühler 17 (falls vorhanden). Die Hülse 20 dient demnach als schützende Umhüllung der Sende-Empfangseinheit 5 und führt zu einer handhabbaren Einheit, die in das Gehäuse eingesetzt wird. Die Hülse 20 kann als metallisches Tiefziehteil oder als Spritzgußteil gefertigt sein. Gemäß 2 ist auf der Meßkammer 2 eine Abdeckplatte 21 vorgesehen, durch die die Hülse 20 in die Meßkammer 2 eingeführt ist. Die Hülse 20 dichtet mit der Abdeckplatte 21 sicher ab, so daß ein Entweichen des zu messenden Mediums verhindert wird.
Gemäß den 1 und 2 kann die Sende-Empfangseinheit 5 in einer Wirbelmeßkammer 22 angeordnet sein. Wie aus 2 hervorgeht ist der Temperaturfühler 17 im Auslaßkanal 4 mittig angeordnet und wird somit mit von den Ultraschallsignalen 6 durchsetzt. Außerdem wird der Temperaturfühler 17 in dieser Lage gleichmäßig von dem zu messenden Medium umströmt, so daß eine exakte Temperaturerfassung gewährleistet wird.
Die Sende-Empfangseinheit 5 kann jedoch auch gemäß 3 in einer geraden Meßkammer 23 angeordnet sein. Um in dieser geraden Ausführungsform der Meßkammer 2 die Strömung mittels Ultraschall optimal erfassen zu können, ist die Meßkammer 2 in einem für die Strömung 7 abgeschlossenen Bereich 24 sowie einen durchströmten Bereich 25 eingeteilt. Die Sende-Empfangseinheit 5 ist im für die Strömung 7 abgeschlossenen Bereich 24 angeordnet. Durch die Abtrennung in die beiden Bereiche 24 und 25 wird sichergestellt, daß die Ultraschallsignale 6 die Strömung 7 jeweils nur in oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung durchsetzten. Der für die Strömung 7 abgeschlossene Bereich 24 kann aus einem schalleitenden Körper bestehen, der für den Ultraschall durchgängig ist, jedoch nicht für das zu messende Medium. In 3 erfolgt die Abtrennung teilweise mittels einer starren Abtrennung 26 und teilweise mittels einer für Ultraschall durchgängigen Membran 27, wobei der für die Strömung 7 abgeschlossene Bereich 24 aus dem stehenden flüssigen oder gasförmigen Medium besteht. Auch mit dieser Anordnung wird sichergestellt, daß der Ultraschall das strömende Medium nur in einer Fließrichtung durchsetzt, in diesem Fall den unteren Bereich der geraden Meßkammer 23. Die Membran 27 ist für das Ultraschallsignal 6 durchgängig, verhindert jedoch eine Durchströmung des zu messenden Mediums.
Der Temperaturfühler 17 ist zweckmäßigerweise außerhalb des intensiven Ultraschalls angeordnet (siehe 2 und 3), so daß zum einen die Temperaturmessung nicht durch einen durchlaufenden Ultraschall beeinflußt wird noch der Ultraschall durch den Temperaturfühler 17 abgelenkt wird.
Die Reflektoren 28 an der Meßkammerwand 29 dienen der optimalen Leitung der Ultraschallsignale 6 durch die Meßkammer 2. Die Reflektoren 28 sind lediglich in der Wirbelmeßkammer 22 in 1 eingezeichnet, jedoch können die Reflektoren 28 auch zur Umleitung des Ultraschallsignals 6 in der geraden Meßkammer 23 gemäß 3 dienen.
Die in 8 dargestellte Ausführungsform zeigt eine gerade Meßkammer 23 wie in 3 , wobei jedoch um 90° zueinander versetzte Ultraschallwandler vorgesehen sind, die in diesem Fall auch als piezokeramische Scheiben 11, 12 ausgebildet sind. Der Träger 10, auf dem die piezokeramischen Scheiben 11, 12 auf der dem Medium abgewandten Seite und damit vorteilhafterweise außerhalb der Meßkammer 2 angeordnet sind, ist dabei entsprechend geometrisch geformt und wird im 90°-Winkel durchschallt.
Auch diese Anordnung gewährleistet gleich lange Signalpfade der entgegengesetzt laufenden Ultraschallsignale 6. Die gerade Meßkammer 23 ist auch in dieser Ausführungsvariante mit einer Abtrennung 26 sowie mit Membranen 27 ausgestattet.
Die um 90° versetzt zueinander angeordneten Ultraschallwandler können auch bei einer Wirbelmeßkammer 22, wie sie in 1 dargestellt ist, vorgesehen sein.

1: Meßkammer
2: Einlaßkanal
3: Auslaßkanal
4: Sende-/Empfangseinheit
5: Durchflußmesser
6: Ultraschallsignale
7: Strömung
8: erster aktiver Bereich
9: zweiter aktiver Bereich
10: Träger
11: piezokeramische Scheibe
12: piezokeramische Scheibe
13: Elektrode
14: piezokeramische Scheibe
15: Drucksensor
16: Drucksensor
17: Temperaturfühler
18: Unteres Ende
19: Öffnungen
20: Hülse
21: Abdeckplatte
22: Wirbelmeßkammer
23: gerade Meßkammer
24: abgeschlossener Bereich
25: durchströmter Bereich
26: Abtrennung
27: Membran
28: Reflektor
29: Meßkammerwand
30: elektrische Leitungen

Claims

Durchflußmesser (1) für flüssige oder gasförmige Medien mit einer zumindest teilweise durchströmten Meßkammer (2), mindestens einem Einlaß- (3) und mindestens einem Auslaßkanal (4) sowie mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Aussenden und/oder zum Empfangen von Ultraschallsignalen (6), die die Meßkammer (2) mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, sowie einer Sende-Empfangseinheit (5), die einen ersten (8) und einen zweiten aktiven Bereich (9) aufweist, wobei sowohl der erste (8) als auch der zweite aktive Bereich (9) dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen (6) dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangseinheit (5) auf einen Träger (10) integriert ist und eine Hülse (20) vorgesehen ist, die den Träger (10) mit der Sende-Empfangseinheit (5) umschließt.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem jeweiligen aktiven Bereich (8 bzw. 9) ausgesendeten Ultraschallsignale (6) eine unterschiedliche, insbesondere eine entgegengesetzte Schallausbreitungsrichtung, aufweisen, wobei die Ultraschallsignale (6) auf dem jeweils gegenüberliegenden aktiven Bereich (9 bzw. 8) auftreffen.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzten Schallausbreitungsrichtungen von den Ultraschallwandlern auf einer gemeinsamen geometrischen Achse liegen.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalpfade der Ultraschallsignale des ersten (8) sowie zweiten aktiven Bereichs (9) gleich lang sind.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) direkt mit einer Leiterplatte verbunden ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste (8) als auch der zweite aktive Bereich (9) jeweils aus einem Ultraschallwandler, insbesondere einem piezoelektrischen Bauteil bestehen.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Trägers (10) ein piezoelektrisches Bauteil angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangseinheit (5) einen mittig angeordneten Ultraschallwandler, insbesondere ein mittig angeordnetes piezoelektrisches Bauteil, zum Aussenden der Ultraschallsignale (6) umfaßt, an dessen gegenüberliegenden Seiten Drucksensoren (15, 16) zum Empfang der Ultraschallsignale (6) angeordnet sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 6 – 8, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrische Bauteile piezokeramische Bauteile vorgesehen sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 6 – 9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Bauteile scheibenförmig ausgebildet sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 6 – 10, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrische Bauteile piezokeramische Scheiben (11, 12) vorgesehen sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 6 – 11, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der jeweiligen piezoelektrischen Bauteile Elektroden (13, 13') angeordnet sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 8 – 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13, 13') beim Empfang oder beim Senden kurzgeschlossen sind.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 – 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) im Bereich der Sende-Empfangseinheit (5) ultraschalldämpfend ausgestaltet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (17) in den Träger (10) integriert ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) unter der Sende-Empfangseinheit (5) bzw. am unteren Ende (18) des Trägers (10) angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) als Platinwiderstandsfühler ausgebildet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 15 – 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) zur Aufnahme des Temperaturfühlers (17) stabartig ausgebildet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 15 – 18, dadurch gekennzeichnet, daß am Temperaturfühler (17) eine Wärmeleitpaste angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 – 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) im Bereich der Sende-Empfangseinheit (5) Öffnungen (19) aufweist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (20) auch den Temperaturfühler (17) umschließt.
Durchflußmesser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (20) als Tiefziehteil gefertigt ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (20) als Spritzgußteil gefertigt ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Meßkammer (2) eine Abdeckplatte (21) vorgesehen ist, durch die die Hülse (20) in die Meßkammer (2) eingeführt ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkammer (2) eine Wirbelmeßkammer (22) vorgesehen ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) im Auslaßkanal (4) mittig angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Meßstrecke vorgesehen ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) in einen für die Strömung (7) abgeschlossenen Bereich (24) sowie einen durchströmten Bereich (25) eingeteilt ist, wobei die Sende-Empfangseinheit (5) im für die Strömung (7) abgeschlossenen Bereich (24) angeordnet ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Strömung (7) abgeschlossene Bereich (24) aus einem schalleitenden Körper besteht.
Durchflußmesser nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Strömung (7) abgeschlossene Bereich (24) aus einem stehenden flüssigen oder gasförmigen Medium besteht, wobei die Abtrennung zum durchströmten Bereich (25) zumindest teilweise mittels einer für den Ultraschall durchgängigen Membran (27) erfolgt.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (17) außerhalb des intensiven Ultraschalls angeordnet ist.
Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Reflektor (28) an der Meßkammerwand (29) vorgesehen ist, der die Ultraschallsignale (6) in und/oder gegen die Richtung der Strömung (7) durch die Meßkammer (2) leitet.