DE102004044607A1

DE102004044607A1 - Flow measuring device, has ultrasonic sensors comprising flow body whose inner area is filled with medium that has same properties as that of measuring medium of pipeline regarding propagation of ultrasonic-measurement signals

Info

Publication number: DE102004044607A1
Application number: DE200410044607
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Andreas Berger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-03-30

Abstract

The device has ultrasonic sensors (2) mounted at an outer surface of a pipeline (5), and emitting ultrasonic-measurement signals in a direction of flow. A regulation-/evaluating processor unit determines a mass flow rate of a measuring medium (7) of the pipeline. The sensors have a flow body whose inner area is filled with a medium that has same properties as that of the measuring medium regarding the propagation of the signals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallsensoren, die an der Außenfläche einer von einem Messmedium in einer Strömungsrichtung durchströmten Rohrleitung angebracht sind. Die Ultraschallsensoren senden und empfangen wechselweise Ultraschall-Messsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung. Eine Regel-/Auswerteeinheit bestimmt und/oder überwacht anhand der Laufzeitdifferenz der in beide Richtungen laufenden Ultraschall-Messsignale den Durchfluss des Messmediums in der Rohrleitung.The The invention relates to a flowmeter with at least two ultrasonic sensors, on the outside surface of a attached by a measuring medium in a flow direction flowed pipe are. The ultrasonic sensors send and receive alternately Ultrasonic measuring signals in the flow direction and against the flow direction. A control / evaluation unit determined and / or monitored based on the transit time difference of the running in both directions ultrasonic measurement signals the flow of the measuring medium in the pipeline.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte der zuvor genannten Art werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen- und/oder Massedurchfluss eines Messmediums in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen. Entsprechende Geräte werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung PROSONIC FLOW angeboten und vertrieben.Ultrasonic flowmeters of the aforementioned Kind become many times in the process and automation technology used. They allow the volume and / or mass flow a measuring medium in a pipeline to determine without contact. Appropriate equipment are offered by the applicant under the name PROSONIC FLOW and distributed.

Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten entweder nach dem Doppler-Prinzip oder nach dem o.g. Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschall-Messsignalen in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausgewertet. Aus der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser der Rohrleitung der Volumendurchfluss bzw. bei bekannter oder gemessener Dichte des Messmediums der Massendurchfluss bestimmen.The known ultrasonic flowmeters work either after the Doppler principle or after the o.g. Transit time difference principle. At the transit time difference principle is the different transit time of ultrasonic measurement signals in the flow direction and against the flow direction evaluated the medium. From the transit time difference of the ultrasonic measuring signals let yourself the flow rate and thus with a known diameter of the pipeline, the volumetric flow or with known or measured density of the medium to be measured, the mass flow determine.

Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschall-Messsignale mit einer vorgegebenen Frequenz in das strömende Medium eingekoppelt. Die in dem Medium reflektierten Ultraschall-Messsignale werden ausgewertet. Anhand einer zwischen dem eingekoppelten und dem reflektierten Ultraschall-Messsignal auftretenden Frequenzverschiebung lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit des Mediums bzw. der Volumen und/oder Massedurchfluss bestimmen.At the Doppler principle will be ultrasonic measurement signals with a predetermined Frequency in the streaming Medium coupled. The reflected in the medium ultrasonic measurement signals are evaluated. On the basis of a between the coupled and the reflected Ultrasound measurement signal occurring frequency shift can be also the flow velocity of the Determine medium or the volume and / or mass flow.

Der Einsatz von Durchflussmessgeräten, die nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, ist nur möglich, wenn in dem Medium Luftbläschen oder Verunreinigungen vorhanden sind, an denen die Ultraschall-Messsignale reflektiert werden. Damit ist der Einsatz derartiger Ultraschall-Durchflussmessgeräte im Vergleich zu den Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeiten, ziemlich eingeschränkt.Of the Use of flowmeters, which work on the Doppler principle, is only possible if in the medium air bubbles or Impurities are present at which the ultrasonic measuring signals be reflected. This compares the use of such ultrasonic flowmeters to the ultrasonic flow meters, according to the transit time difference principle work, pretty limited.

Hinsichtlich der Typen von Messgeräten wird unterschieden zwischen Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die in die Rohrleitung eingesetzt werden – sog. Inline-Durchflussmessgeräten-, und Clamp-On Durchflussmessgeräten, bei denen die Ultraschallsensoren von außen an die Rohrleitung beispielsweise mittels eines Spannverschlusses angepresst werden. Clamp-On Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.With regard to the types of measuring instruments, a distinction is made between ultrasonic flowmeters that are inserted into the pipeline - so-called inline flowmeters - and clamp-on flowmeters, in which the ultrasonic sensors are pressed from the outside to the pipeline, for example by means of a clamping lock. Clamp-on flowmeters are for example in the EP 0 686 255 B1 U.S. Patent 4,484,478 or U.S. Patent 4,598,593.

Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung bzw. in das Messrohr, in der bzw. in dem sich das strömende Messmedium befindet, eingestrahlt und/oder entsprechend empfangen. Um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen, werden die Ultraschall-Messsignale über einen Vorlaufkörper bzw. einen Koppelkeil in die Rohrleitung bzw. in das Messrohr eingekoppelt bzw. aus der Rohrleitung bzw. aus dem Messrohr ausgekoppelt. Hauptbestandteil eines Ultraschallsensors ist zumindest ein piezoelektrisches Element, welches die Ultraschall-Messsignale in einem definierten Frequenzbereich erzeugt und/oder empfängt.at Both types of ultrasonic flowmeters are the ultrasonic measurement signals at a predetermined angle into the pipeline or into the measuring tube, in or in which the flowing Measuring medium is located, radiated and / or received accordingly. In order to achieve an optimal impedance matching, the ultrasonic measuring signals are transmitted via a leading body or a coupling wedge coupled into the pipe or in the measuring tube or decoupled from the pipe or from the measuring tube. Main component an ultrasonic sensor is at least one piezoelectric element, which the ultrasonic measuring signals in a defined frequency range generates and / or receives.

Die in einem piezoelektrischen Element erzeugten Ultraschall-Messsignale werden über einen Koppelkeil bzw. einen Vorlaufkörper und – im Falle eine Clamp-On Durchflussmessgeräts – noch zusätzlich über die Rohrwand in das fluide – flüssige oder gasförmige – Messmedium geleitet. Da die Schallgeschwindigkeit von den durchlaufenen Medien abhängt, erfahren die Ultraschall-Messsignale jeweils an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien eine Brechung. Der Brechungswinkel bestimmt sich nach dem Snellius Gesetz, d.h der Brechungswinkel ist abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in zwei angrenzenden, unterschiedlichen Medien.The ultrasonic measuring signals generated in a piezoelectric element be over a coupling wedge or a flow body and - in the case of a clamp-on flowmeter - in addition to the Pipe wall in the fluid - liquid or gaseous - measuring medium directed. Because the speed of sound from the media passed through depends experience the ultrasonic measurement signals at the interface of two different media a refraction. The angle of refraction determines according to the law of Snellius, that is, the angle of refraction depends on the relationship the propagation speeds in two adjacent, different Media.

Im Falle von Clamp-On Durchflussmessgeräten ist es insbesondere problematisch, dass die Schallgeschwindigkeit eines Mediums darüber hinaus eine relativ starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Weisen die Schallgeschwindigkeiten der Medien eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit auf, so hat dies bei Clamp-On Durchflussmessgeräten unmittelbar zur Folge, dass sich der optimale Einkopplungs-/Auskopplungspunkt für die Ultraschall-Messsignale ändert. Korrigieren lässt sich dieser Fehler über eine Nachjustierung der an der Rohrleitung befestigten Ultraschallsensoren. Wird diese notwendige Korrektur nicht durchgeführt, so schlägt sich der resultierende Messfehler in einer Verringerung der Messgenauigkeit des Ultraschall-Durchflussmessgeräts nieder. Bei einem Inline-Durchflussmessgerät tritt dieses Problem übrigens deshalb nicht auf, weil die Ultraschall-Messsignale hier senkrecht in das Messmedium eingestrahlt werden. Allerdings weisen Inline-Durchflussmessgeräte den Nachteil auf, dass sie in direktem Kontakt mit dem Messmedium kommen, also mediumsberührend sind. Auch ist es bei Inline-Durchflussmessgeräten u.U. nachteilig, dass sich die Ultraschallsensoren aufgrund der festen Installation am Messrohr nicht relativ zum Messrohr verschieben lassen – eine Nachjustierung ist hier also nicht möglich.In the case of clamp-on flowmeters, it is particularly problematic that the sound velocity of a medium also has a relatively strong temperature dependence. If the sound velocities of the media have a different temperature dependence, this has the immediate effect on clamp-on flowmeters that the optimal coupling / extraction point for the ultrasonic measurement signals changes. This error can be corrected by readjusting the ultrasonic sensors attached to the pipeline. If this necessary correction is not carried out, the resulting measurement error is reflected in a reduction in the measuring accuracy of the ultrasonic flowmeter. Incidentally, this problem does not occur with an in-line flowmeter because the ultrasonic measurement signals are radiated vertically into the measurement medium. However, inline flowmeters have the Disadvantage of the fact that they come in direct contact with the medium to be measured, so are touching the medium. It is also disadvantageous in inline flowmeters that the ultrasonic sensors can not be moved relative to the measuring tube due to the fixed installation on the measuring tube - a readjustment is therefore not possible here.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Clamp-On Durchflussmessgerät vorzuschlagen, das über den Schallpfad der Ultraschall-Messsignale eine näherungsweise konstante Schallgeschwindigkeit aufweist.Of the Invention has for its object to propose a clamp-on flowmeter, which over the Sound path of the ultrasonic measurement signals an approximately constant speed of sound having.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ultraschallsensoren jeweils einen Vorlaufkörper aufweisen, dessen Innenraum zumindest teilweise mit einem Medium angefüllt ist, das hinsichtlich der Ausbreitung der Ultraschall-Messsignale näherungsweise dieselben Eigenschaften aufweist wie das Messmedium.The Task is solved by that the ultrasonic sensors each have a flow body, whose interior is at least partially filled with a medium, the approximately the same properties with respect to the propagation of the ultrasonic measurement signals has like the measuring medium.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, temperaturbedingte Änderungen der Schallgeschwindigkeiten der von den Ultraschall-Messsignalen durchlaufenen Medien näherungsweise über den gesamten Schallpfad konstant zu halten. Damit bleibt auch der eingestellte und optimale Einkoppelungs-/Auskopplungspunkt der Ultraschall-Messsignale in die Rohrleitung über die Temperatur zumindest näherungsweise konstant.through the solution according to the invention it is possible temperature-related changes the sound velocities of the ultrasonic measurement signals through the media approximately over the to keep the entire sound path constant. This also remains the set and optimum injection / extraction point of the ultrasonic measurement signals into the pipeline over the temperature at least approximately constant.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lösung dahingehend ausgestaltet, dass es sich bei dem in den Vorlaufkörper eingefüllten Medium um das Messmedium selbst handelt. Bei dieser Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die physikalischen, die Schallgeschwindigkeit beeinflussenden Eigenschaften des eingefüllten Mediums näherungsweise identisch mit den entsprechenden Eigenschaften des Messmediums sind.Prefers is the solution according to the invention to that effect designed such that it is in the filled in the flow body medium is the medium itself. In this embodiment, it is ensured that the physical, the speed of sound affecting Properties of the filled Medium approximate identical to the corresponding properties of the medium to be measured.

Als besonders vorteilhaft hat es sich im Falle eines gasförmigen Messmediums herausgestellt, wenn es sich bei dem Medium, das in den Vorlaufkörper eingefüllt ist, um ein Edelgas handelt. Bei dieser Variante kommt als Vorteil hinzu, dass der Innenraum des Vorlaufkörpers bereits während des Herstellungsprozesses mit dem Edelgas befüllt werden kann. Eine Vorortbefüllung ist dann nicht erforderlich.When it has particularly advantageous in the case of a gaseous medium exposed when the medium filled in the lead body is is a noble gas. In this variant is added as an advantage that the interior of the flow body already during the manufacturing process can be filled with the noble gas. A suburb filling is then not required.

Um den Innenraum des Vorlaufkörpers vor Ort mit dem Medium/Messmedium befüllen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung an dem Vorlaufkörper ein Einfüllstutzen für das Medium bzw. für das Messmedium vorgesehen. Möglich ist es auch, eine direkte Verbindung zur Rohrleitung zu schaffen, über die das Messmedium direkt in den Vorlaufkörper eingefüllt werden kann.Around the interior of the flow body to be able to fill on site with the medium / medium is, according to a advantageous embodiment of the inventive solution to the flow body filler pipe for the Medium or for provided the measuring medium. Possible it is also to create a direct connection to the pipeline over which the Measuring medium can be filled directly into the flow body.

Es ist bekannt, dass insbesondere im Fall eines gasbefüllten Vorlaufkörpers die Schallgeschwindigkeit stark vom Druck und von der Temperatur abhängt. Um diese Abhängigkeiten und die daraus resultierende Messungenauigkeit zu eliminieren, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts in dem Vorlaufkörper zumindest ein Druckausgleichselement vorgesehen ist. Bei dem Druckausgleichselement handelt es sich beispielsweise um eine Membran, um einen Schaumstoff-Körper mit geschlossen Zellen oder um einen Balg. Es versteht sich von selbst, dass die zuvor genannten Druckausgleichselemente derart beschaffen sein müssen, dass sie resistent gegen das eingefüllte Medium bzw. Messmedium sind.It is known that in particular in the case of a gas-filled flow body the Sound velocity depends strongly on the pressure and the temperature. Around these dependencies and to eliminate the resulting inaccuracy of measurement is according to a advantageous embodiment of the flowmeter according to the invention in the leading body at least one pressure compensation element is provided. The pressure compensation element is For example, it is a membrane to a foam body with closed cells or around a bellows. It goes without saying that the aforementioned pressure equalization elements provide such have to be that they are resistant to the filled medium or medium are.

Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung angesehen, wenn im oberen Bereich des Vorlaufkörpers eine Anpassschicht zur besseren akustischen Ein- und Auskopplung der Ultraschall-Messsignale vorgesehen ist.When it is considered particularly advantageous in connection with the solution according to the invention, if in the upper region of the flow body a matching layer for better acoustic coupling and decoupling of the ultrasonic measuring signals is provided.

Eine weitere die Schallgeschwindigkeit von Ultraschall-Messsignalen in einem Medium beeinflussende Größe ist die Temperatur. Ist die aktuelle Temperatur bekannt, so lässt sich die Schallgeschwindigkeit entsprechend korrigieren, wodurch die gewünschte Messgenauigkeit des Ultraschall-Durchflussmessgeräts über einen weiten Temperaturbereich gegeben ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts schlägt daher vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Laufzeit eines Ultraschall-Messsignals zwischen der Grenzfläche des mit dem Medium bzw. dem Messmedium gefüllten Innenraums des Vorlaufkörpers – dieser Abstand ist somit exakt bekannt – und dem piezoelektrischen Element die Temperatur des Mediums bzw. des Messmediums ermittelt.A further the speed of sound of ultrasonic measuring signals in a medium affecting size is the Temperature. If the current temperature is known, so can Correct the speed of sound accordingly, giving the desired accuracy of the ultrasonic flowmeter over a wide temperature range given is. An advantageous development of the flowmeter according to the invention therefore suggests before that the control / evaluation unit based on the duration of an ultrasonic measurement signal between the interface of the filled with the medium or the measuring medium interior of the flow body - this Distance is thus known exactly - and the piezoelectric Element determines the temperature of the medium or the medium to be measured.

Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts vor, dass die an der Rohrwand anliegende Außenfläche des Ultraschallwandlers als flexible Membran ausgebildet ist, die sich bei der Montage an die Krümmung bzw. an die Form der Außenfläche der Rohrleitung anpasst. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer Verbesserung der Einkopplung/Auskopplung, da infolge der paßgenauen Montage des Ultraschallsensors an der Rohrleitung das Risiko einer Änderung des Einfall- und Ausfallwinkels der Ultraschall-Messsignale minimiert wird.Furthermore beats an advantageous embodiment of the flowmeter according to the invention, that the voltage applied to the pipe wall outer surface of the ultrasonic transducer is designed as a flexible membrane, which is in the assembly the curvature or to the shape of the outer surface of the pipeline adapts. The advantage of this embodiment is an improvement the coupling / decoupling, as a result of the precise fit mounting of the ultrasonic sensor at the pipeline the risk of changing the angle of incidence and failure of the Ultrasonic measuring signals is minimized.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung im Längsschnitt und 1 : A schematic representation of a first embodiment of the solution according to the invention in longitudinal section and

2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung im Längsschnitt. 2 : a schematic representation of a second embodiment of the solution according to the invention in longitudinal section.

Die Figuren 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen von zwei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 im Längsschnitt. Bei dem Durchflussmessgerät 1 handelt es sich im gezeigten Fall um ein Clamp-On Durchflussmessgerät. Das Durchflussmessgerät 1 ermittelt den Volumendurchfluss bzw. den Massedurchfluss des Messmediums 7 in der Rohrleitung 5 nach der bekannten Laufzeitdifferenz-Methode.The figures 1 and 2 show schematic representations of two preferred embodiments of the ultrasonic flowmeter according to the invention 1 in longitudinal section. With the flowmeter 1 In the case shown, this is a clamp-on flowmeter. The flowmeter 1 Determines the volume flow or the mass flow of the medium to be measured 7 in the pipeline 5 according to the known transit time difference method.

Wesentliche Komponenten des Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 sind die beiden Ultraschallsensoren 2 und die Regel-/Auswerteeinheit 6. Die beiden Ultraschallsensoren 2 sind mittels einer in der 1 nicht gesondert dargestellten Befestigungsvorrichtung an der Außenfläche 4 der Rohrleitung 5 angebracht. Mit F ist in den Figuren die Anpresskraft angedeutet, mit der das Durchflussmessgerät an die Rohrleitung 5 angepresst wird. Entsprechende Befestigungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden auch von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Die Rohrleitung 5 mit dem Innendurchmesser di wird von dem Messmedium 7 in Strömungsrichtung S mit der Strömungsgeschwindigkeit v durchströmt.Essential components of the clamp-on ultrasonic flowmeter 1 are the two ultrasonic sensors 2 and the control / evaluation unit 6 , The two ultrasonic sensors 2 are by means of a in the 1 not shown separately fastening device on the outer surface 4 the pipeline 5 appropriate. With F, the contact force is indicated in the figures, with the flow meter to the pipeline 5 is pressed. Corresponding fastening devices are well known from the prior art and are also offered and distributed by the applicant. The pipeline 5 with the inner diameter di becomes of the measuring medium 7 flows through in the flow direction S with the flow velocity v.

Ein Ultraschallsensor 2 weist als wesentliche Bestandteile zumindest ein piezoelektrisches Element 3, das die Ultraschall-Meßsignale aussendet und/oder empfängt, und einen Vorlaufkörper 9 bzw. einen Koppelkeil auf. Die Ultraschall-Meßsignale werden über den Vorlaufkörper 9 in die vom Messmedium 7 durchströmte Rohrleitung 5 eingekoppelt bzw. aus der Rohrleitung 5 ausgekoppelt.An ultrasonic sensor 2 has as essential components at least one piezoelectric element 3 which transmits and / or receives the ultrasonic measuring signals, and a leading body 9 or a coupling wedge. The ultrasonic measuring signals are transmitted via the flow body 9 into the of the measuring medium 7 flowed through the pipeline 5 coupled or out of the pipeline 5 decoupled.

In den Figuren 1 und 2 sind jeweils zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Ultraschallwandler 2 gezeigt. Bei dem jeweils oberhalb der Rohrleitung 5 montierten Ultraschallsensor 2 erfolgt die Einkopplung/Auskopplung der Ultraschall-Messsignale zwischen dem piezoelektrischen Element 3 und dem Vorlaufkörper 9 unmittelbar. Bei dem jeweils unterhalb der Rohrleitung 5 montierten Ultraschallsensor 2 ist der Fall gezeigt, bei dem die Einkopplung/Auskopplung der Ultraschall-Messsignale über eine Anpassschicht 11 erfolgt. Die Anpassschicht 11 ist optional und wird bei Bedarf eingesetzt, um die Einkopplung/Auskopplung der Ultraschall messsignale in die Rohrleitung 5 bzw. aus der Rohrleitung 5 zu optimieren. Der Optimierung der Einkopplung/Auskopplung der Ultraschallmeßsignale in die Rohrleitung 5 dient die der Rohrleitung 5 zugewandte Außenfläche 4 des Ultraschallsensors 2, die als flexible Membran 15 ausgebildet ist.In the figures 1 and 2 are each two different embodiments of the ultrasonic transducer 2 shown. In each case above the pipeline 5 mounted ultrasonic sensor 2 the coupling / decoupling of the ultrasonic measuring signals takes place between the piezoelectric element 3 and the flow body 9 immediate. In each case below the pipeline 5 mounted ultrasonic sensor 2 the case is shown in which the coupling / decoupling of the ultrasonic measurement signals via a matching layer 11 he follows. The matching layer 11 is optional and is used if necessary to the coupling / decoupling of the ultrasonic measuring signals in the pipeline 5 or from the pipeline 5 to optimize. The optimization of the coupling / decoupling of Ultraschallmeßsignale in the pipeline 5 serves the pipeline 5 facing outer surface 4 of the ultrasonic sensor 2 acting as a flexible membrane 15 is trained.

Erfindungsgemäß ist der Innenraum 10 eines Vorlaufkörpers 9 eines Ultraschallsensors 2 zumindest teilweise mit einem Medium 8 angefüllt, das hinsichtlich der Ausbreitung der Ultraschall-Messsignale näherungsweise dieselben Eigenschaften aufweist wie das Messmedium 7.According to the invention, the interior 10 a flow body 9 an ultrasonic sensor 2 at least partially with a medium 8th filled, which has approximately the same properties with respect to the propagation of the ultrasonic measurement signals as the measured medium 7 ,

Wie bereits gesagt, ist es mittels der erfindungsgemäßen Lösung möglich, temperaturbedingte Änderungen der Schallgeschwindigkeiten der von den Ultraschall-Messsignalen durchlaufenen Medien näherungsweise über den gesamten Schallpfad konstant zu halten. Damit bleibt automatisch auch der eingestellte und optimale Einkoppelungs-/Auskopplungspunkt der Ultraschall-Messsignale in die Rohrleitung 5 über die Temperatur zumindest näherungsweise konstant. Bei dem in den Vorlaufkörper 9 eingefüllten Medium 8 handelt es sich bevorzugt um das Messmedium 7 selbst. Bei dieser Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die physikalischen, die Schallgeschwindigkeit beeinflussenden Eigenschaften des eingefüllten Mediums 8 in hohem Maße identisch sind mit den entsprechenden Eigenschaften des Messmediums 7.As already mentioned, it is possible by means of the solution according to the invention to keep temperature-related changes in the speed of sound of the media passed through by the ultrasonic measuring signals approximately constant over the entire sound path. This automatically leaves the set and optimal coupling / decoupling point of the ultrasonic measuring signals in the pipeline 5 at least approximately constant over the temperature. In the in the flow body 9 filled medium 8th it is preferably the measuring medium 7 itself. In this embodiment, it is ensured that the physical properties influencing the speed of sound of the filled medium 8th are largely identical to the corresponding properties of the medium to be measured 7 ,

Als besonders vorteilhaft hat es sich im Falle eines gasförmigen Messmediums 7 herausgestellt, wenn es sich bei dem Medium 8, das in den Vorlaufkörper 9 eingefüllt ist, um ein Edelgas handelt. Bei dieser Variante kommt als Vorteil hinzu, dass der Innenraum 10 des Vorlaufkörpers 9 bereits während des Herstellungsprozesses mit dem Edelgas befüllt werden kann. Eine Vorortbefüllung ist dann nachfolgend nicht erforderlich.It has proved particularly advantageous in the case of a gaseous measuring medium 7 exposed when it comes to the medium 8th that in the lead body 9 filled is a noble gas. In this variant comes as an advantage that the interior 10 of the flow body 9 can already be filled with the inert gas during the manufacturing process. Suburban filling is then not required below.

Zwecks Vorortbefüllung ist an dem Vorlaufkörper 9 bzw. an dem Innenraum 10 des Vorlaufkörpers 9 ein Einfüllstutzen 13 für das Medium 8 bzw. für das Messmedium 7 vorgesehen. Möglich ist es auch, eine direkte Verbindung zur Rohrleitung 5 zu schaffen, über die dass Messmedium 7 direkt in den Vorlaufkörper 9 eingefüllt werden kann.For the purpose of suburb filling is on the flow body 9 or on the interior 10 of the flow body 9 a filler neck 13 for the medium 8th or for the measuring medium 7 intended. It is also possible, a direct connection to the pipeline 5 to create that over that measuring medium 7 directly into the flow body 9 can be filled.

Da die Schallgeschwindigkeit in einem Medium stark vom Druck und von der Temperatur abhängt, führen Temperatur- oder Druckänderungen zu einem erheblichen Messfehler bei der Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums 7 in einer Rohrleitung 5. Um diese Abhängigkeiten und die daraus resultierende Messungenauigkeit zu eliminieren, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 in dem Vorlaufkörper 9 zumindest ein Druckausgleichselement 14 vorgesehen ist. Bei dem Druckausgleichselement 14 handelt es sich beispielsweise um eine Membran, um einen Schaumstoff-Körper mit geschlossen Zellen oder um einen Balg. Diese Druckausgleichselemente 14 sind bevorzugt aus einem Material gefertigt, das resistent gegen das eingefüllte Medium 8 bzw. gegen das Messmedium 7 ist.Since the speed of sound in a medium depends strongly on the pressure and the temperature, temperature or pressure changes lead to a considerable measurement error in the determination and / or monitoring of the flow of a measuring medium 7 in a pipeline 5 , In order to eliminate these dependencies and the resulting measurement inaccuracy, according to an advantageous embodiment of the flowmeter according to the invention 1 in the flow body 9 at least one pressure compensation element 14 is provided. In the pressure compensation element 14 For example, it is a membrane, a foam body with closed cells or a bellows. These pressure compensation elements 14 are preferably made of a material that is resistant to the charged medium 8th or against that measuring medium 7 is.

Als wesentlicher Unterschied zwischen den beiden in den Figuren 1 und 2 gezeigten Varianten des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 ist hervorzuheben, dass bei der in 1 dargestellten Variante der gesamte Innenraum 10 des Vorlaufkörpers 9 mit dem Medium 8 bzw. dem Messmedium 7 gefüllt ist. Hingegen nimmt der "Befüllkörper" bei der in 2 gezeigten Variante nur ein Teil des Innenraums 10 des Vorlaufkörpers 9 ein. Die Grenzfläche 12 zwischen dem durch den Befüllkörper definierten Innenraum 10 und dem Vorlaufkörper 9 dient dabei als Reflektor für die Ultraschall-Messsignale. Anhand der Laufzeit der Ultraschall-Messsignale auf der Strecke zwischen dem piezoelektrischem Element 3 und der Grenzfläche 12 lassen sich Temperaturänderungen in dem Vorlaufkörper 9 erkennen und nachfolgend bei der Bestimmung des Durchflusses des Messmediums 7 durch die Rohrleitung 5 berücksichtigen. Selbstverständlich sind auch andersartige Ausgestaltungen von Reflektoren im Schallpfad der Ultraschall-Messsignale in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät einsetzbar.As a major difference between the two in the figures 1 and 2 shown variants of the flowmeter according to the invention 1 It should be stressed that in 1 illustrated variant of the entire interior 10 of the flow body 9 with the medium 8th or the measuring medium 7 is filled. On the other hand, the "filling body" at the in 2 variant shown only part of the interior 10 of the flow body 9 one. The interface 12 between the interior defined by the filling body 10 and the flow body 9 serves as a reflector for the ultrasonic measurement signals. Based on the duration of the ultrasonic measuring signals on the route between the piezoelectric element 3 and the interface 12 can be temperature changes in the flow body 9 recognize and subsequently in the determination of the flow of the medium 7 through the pipeline 5 consider. Of course, other types of reflectors in the sound path of the ultrasonic measurement signals in conjunction with the flowmeter according to the invention can be used.

11: Ultraschall-DurchflussmessgerätUltrasonic flowmeter
22: Ultraschallwandlerultrasound transducer
33: Piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
44: Außenflächeouter surface
55: Rohrleitung Getauscht mit 4?Piping exchanged with 4 ?
66: Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
77: Messmediummeasuring medium
88th: Mediummedium
99: Vorlaufkörperleading body
1010: Innenrauminner space
1111: Anpassschichtmatching layer
1212: Grenzflächeinterface
1313: Einfüllstutzenfiller pipe
1414: DruckausgleichselementPressure compensation element
1515: Flexible Membranflexible membrane
1616: Abdeckungcover
1717: Verbindungsleitungconnecting line
1818: Reflektionskörperreflection body

Claims

Flowmeter ( 1 ) with at least two ultrasonic sensors ( 2 ) on the outer surface ( 4 ) of a pipeline ( 5 ) generated by a measuring medium ( 7 ) is flowed through in a flow direction (S) are mounted, wherein the ultrasonic sensors ( 2 ) alternately transmit and receive ultrasonic measurement signals in the flow direction (S) and counter to the flow direction (S), and with a control / evaluation unit ( 6 ), which are based on the transit time difference of the ultrasonic measurement signals, which are in the flow direction (S) and counter to the flow direction (S) in the measuring medium ( 7 ), the volume flow rate and / or the mass flow rate of the medium to be measured ( 7 ) in the pipeline ( 5 ) and / or monitored, characterized in that the ultrasonic sensors ( 2 ) each have a flow body ( 9 ) whose interior ( 10 ) at least partially with a medium ( 8th ), which has approximately the same properties as the measuring medium (with regard to the propagation of the ultrasonic measurement signals) (US Pat. 7 ).

Flowmeter according to claim 1, characterized in that it is in the in the flow body ( 9 ) filled medium ( 8th ) around the measuring medium ( 7 ).

Flowmeter according to claim 1 or 2, characterized in that it is in the case of a gaseous medium ( 7 ) in the medium ( 8th ), which is in the flow body ( 9 ) is a noble gas.

Flowmeter according to claim 1, 2 or 3, characterized in that on the flow body ( 9 ) a filler neck ( 13 ) for the medium ( 8th ) or for the measuring medium ( 7 ) is provided.

Flowmeter according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that on the flow body ( 9 ) a filler neck ( 13 ) and / or a discharge nozzle for the medium ( 8th ) or for the measuring medium ( 7 ) provided with the interior of the pipeline ( 5 ) or with the measuring medium 7 permanently or temporarily connectable.

Flowmeter according to claim 1, characterized in that in the flow body ( 9 ) a pressure compensation element ( 14 ) is provided.

Flowmeter according to claim 1, characterized in that it is in the pressure compensation element ( 14 ) is a membrane, a foam body with closed cells or a bellows.

Flowmeter according to claim 1, characterized in that in the upper region of the flow body ( 9 ) a matching layer ( 11 ) is provided for optimizing the coupling / decoupling of the ultrasonic measuring signals.

Flowmeter according to claim 1, characterized in that the control / evaluation unit ( 6 ) based on the transit time of an ultrasonic measurement signal between the interface ( 12 ) of the medium ( 8th ) or the measuring medium ( 7 ) filled interior ( 10 ) of the flow body ( 9 ) and the piezoelectric element ( 3 ) the temperature of the medium ( 8th ) or the measuring medium ( 7 ).

Flowmeter according to claim 1, characterized in that a reflection body ( 18 ) is provided which a portion of the piezoelectric element ( 3 ), and that the control / evaluation unit ( 6 ) on the basis of the reflection body ( 18 ) ultrasonic measuring signals reflected the temperature of the medium ( 8th ) or the measuring medium ( 7 ).

Flowmeter according to claim 1, characterized in that on the outer surface ( 4 ) of the pipeline ( 5 ) abutting surface of the ultrasonic transducer ( 2 ) as a flexible membrane ( 15 ) is formed, which during assembly to the curvature of the outer surface ( 4 ) of the pipeline ( 5 ) adapts.