DE102004060062A1

DE102004060062A1 - Ultraschallmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102004060062A1
Application number: DE200410060062
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang; Christoph Gmelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29
Also published as: WO2006063873A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Messeinrichtung zur Bestimmung der Strömungsrate eines gasförmigen, in einem Strömungsrohr (10) strömenden Mediums. Es sind ein erster und ein zweiter Ultraschallwandler (14, 16) vorgesehen, die entweder in einseitiger Anordnung (38) oder in einander gegenüberliegender Anordnung (36) in eine Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) integriert sind und wechselweise im Sende- oder Empfangsmodus betrieben werden können. Im Strömungsrohr (10) sind im Bereich der Position der Ultraschallwandler (14, 16) Stromlinien (12) des gasförmigen Mediums auslenkende Querschnittsverengungen (26, 28; 44, 48, 54, 60) ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Im Kraftfahrzeugbereich kommt zur Erfassung der Füllung der einzelnen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine das Ultraschall-Messverfahren zum Einsatz. Mittels einer Ultraschallmessvorrichtung wird im Ansaugtrakt die Strömungsrate die zur Verbrennung in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine erforderliche Luftmenge bestimmt. Zur möglichst exakten Bestimmung der Luftmenge, die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet wird, ist eine präzise Erfassung der im Ansaugtrakt strömenden Luftmenge erforderlich.

Aus EP 0 477 418 A1 ist ein Ultraschall (US)-Durchflussmesser zum Einbau in ein Messrohr bekannt. Der Ultraschall (US)-Durchflussmesser dient zur Messung der Luftmasse an einem Kraftfahrzeugmotor und weist zwei Ultraschallwandler auf. Die Ultraschallwandler arbeiten abwechselnd als Sendewandler oder Empfangswandler. Ferner ist eine Reflektoranordnung zur Bildung eines das Messrohr durchlaufenden Reflexionsweges für Ultraschallwellen zwischen dem jeweiligen Ultraschall-Sendewandler und dem jeweiligen Ultraschall-Empfangswandler vorgesehen. Es wird eine Träger- und Montageplatte offenbart, auf der der eine Ultraschallwandler und der andere Ultraschallwandler aufgenommen sind, ferner eine Reflektoranordnung zur abdichtenden Montage einer Einbaueinheit über einer Aufnahmeöffnung für die Einbaueinheit in einem Messrohr. Der eine Ultraschallwandler und der andere Ultraschallwandler sind in einem vorbestimmten Winkel zueinander und zu der Reflektoranordnung vorzugsweise symmetrisch geneigt angeordnet. Die Reflektoranordnung ist mittels einer Haltekonstruktion derart von der Träger- und Montageplatte in einem Abstand von dieser getragen, dass die Reflektor anordnung innerhalb des Messrohres zusammen mit den Ultraschallwandlern 2, 3 den zur Durchflussmessung erforderlichen Reflexionsweg bildet. Die Träger- und Montageplatte trägt vorzugsweise zwischen den beiden Ultraschallwandlern auf ihrer dem Messrohr abgewandten Seite eine Betriebs- und Messelektronikeinheit auf sich. Die Reflektoranordnung kann einen einzigen Reflektorkörper zur Bildung eines V-förmigen Reflexionsweges enthalten oder auch einen Reflektorkörper, zur Bildung eines W-förmigen Reflexionsweges unter Einbeziehung der dem Reflektorkörper gegenüberliegenden wandlerseitigen Innenwandung des Messrohrs oder der messrohrseitigen Fläche der Träger- und Montageplatte. Auf dem Reflektorkörper befindet sich vorzugsweise mittig zwischen den Strahlachsen der beiden Ultraschallwandler ein zumindest reflexionsarmer, beispielsweise aus Filz bestehender Hilfskörper zur Vermeidung einer bei der Messung störenden Reflexion von Streustrahlen des Ultraschall-Sendewandlers. Die Reflektoranordnung kann darüber hinaus zwei Reflektorkörper zur Bildung eines W-förmigen Reflexionsweges unter Einbeziehung der der Reflektorenebene gegenüberliegenden wandlerseitigen Innenwandung des Messrohres oder der messrohrseitigen Fläche der Träger- und Montageplatte enthalten.

Gemäß der aus EP 0 477 418 A1 bekannt gewordenen Lösung umfasst die Haltekonstruktion ein Gestänge. Die Haltekonstruktion kann beispielsweise als eine offene wannenartige Blechkonstruktion ausgebildet werden, wobei die Reflektoranordnung auf dem Boden der wannenförmigen Blechkonstruktion angeordnet ist. Die Seitenwandungen der wannenförmigen Blechkonstruktion können Ausnehmungen zur Gewichtsverminderung und/oder zum Zwecke eines Gas- oder Flüssigkeitsaustausches zwischen Innen- und Außenseite der wannenförmigen Blechkonstruktion aufweisen. Die Seitenwandungen können dabei derart geformt und/oder ausgerichtet werden, dass sie als Leitbleche zur Strömungsharmonisierung und/oder zur Bildung eines relevanten Teilstromes eingesetzt werden können. Die wannenförmige Blechkonstruktion kann einstückig ausgebildet werden.

Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Ultraschallwandler bekannt geworden, die zwei Ultraschallwandler P1 und P2 aufweisen, die einander gegenüberliegend in den Wandungen eines Strömungsrohres aufgenommen sind. Die Ultraschallwandler P1 und P2 sind dabei zur Verminderung der Beeinflussung des freien Strömungsquerschnittes in Ausbuchtungen in den Rohrwandungen eingelassen. Die beiden Ultraschallwandler P1 und P2 senden sich gegenseitig Ultraschallwellen zu, die mit Laufzeiten t1 und t2 von einem zum anderen Ultraschall wandler durch das strömende Medium laufen. Der Unterschied der Laufzeiten mit der Strömung, Laufzeit t1 und entgegen der Strömung, Laufzeit t2 des strömenden Mediums, stellt ein Maß für die Strömungsrate des im Strömungsrohr strömenden Mediums dar.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, im Strömungsrohr in dem Bereich, in welchem die Ultraschall-Messeinrichtung in dieses eingelassen ist, Rohreinschnürungen, Rohrverengungen oder Änderungen der Geometrie des Rohrquerschnittes des Messrohres in Strömungsrichtung des im Messrohr strömenden Mediums anzubringen.

Mittels einer Änderung der Geometrie des Rohrquerschnittes, sei es durch Rohreinschnürungen, sei es durch Rohrverengungen oder dergleichen, kann eine Beeinflussung der Strömung des gasförmigen Mediums derart erfolgen, dass eine Reduzierung lokaler Turbulenzen in der Nähe der Ultraschallwandler erfolgt. Damit wird eine störungsarme und genauere Strömungserfassung des im Messrohr strömenden gasförmigen Mediums erzielt.

Die Ultraschallwandler sind so am Messrohr befestigt, dass sich die Ultraschallsignale im Wesentlichen schräg zur Hauptströmungsrichtung ausbreiten. Durch diese gekippte Anordnung entsteht eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung der Schallausbreitungsrichtung und damit eine Grundlage für eine Messung der Laufzeitänderung, deren Betrag wiederum ein Maß für die Strömungsrate des im Messrohr strömenden gasförmigen Mediums ist.

Aufgrund der verkippten Anordnung der Ultraschallwandler entstehen Aussparungen in der Nähe der Ultraschallwandler, in denen sich die Strömungsmessung verfälschende Strömungsablösungsgebiete bilden können.

Erfindungsgemäß wird als Abhilfe gegen die Strömungsablösung eine Einengung des Rohrquerschnittes des Messrohres vorgeschlagen, welche die Stromlinien derart verändert, dass diese in die Aussparungen hineingedrückt werden. Dies bedeutet, dass sich die Strömung des gasförmigen Mediums in den Aussparungen besser an die dort vorgegebene Außenkontur des Messrohres anlegt, welche den Strömungsweg begrenzen. Dadurch wird erreicht, dass eine Strömungskomponente in Richtung der Ultraschallausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale entsteht, so dass ein zur Weiterverarbeitung ausreichend starkes Signal generiert wird, dem allerdings erheblich weniger Signalstörungen überlagert sind. Alternativ kann eine Reflexionsanordnung eingesetzt werden, gemäß der beide Ultraschallwandler auf einer Rohrseite des Messrohres angeordnet sind. Dadurch lässt sich ein kompakterer Aufbau einer Ultraschall-Messeinrichtung erzielen. In diesem Fall kann der Einbau der Ultraschallwandler derart erfolgen, dass nur eine Aussparung entsteht. Gemäß dieser Ausführungsvariante vorzusehende Rohreinschnürung dient gleichzeitig auch als Reflexionsfläche.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Querschnittsveränderungen hinsichtlich des freien Strömungsquerschnittes im Messrohr auch seitlich angebracht werden. Es kann einerseits ein runder Rohrquerschnitt in Strömungsrichtung zu einem ovalen Querschnittsprofil verengt werden und anschließend – falls benötigt – wieder erweitert werden. Durch die Querschnittsänderung von rundem Rohrquerschnitt zu ovalem Rohrquerschnitt und rundem Rohrquerschnitt, wird eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung erzeugt, die sowohl bei einer diagonal als auch bei einer Reflexionsmessanordnung zu einer Reduktion von Ablösungen der Strömung im Bereich der Ultraschallwandler führt.

Eine weitere Ausführungsvariante ist dadurch gegeben, dass im Messrohr seitlich, lokal begrenzte Einschnürungen oder Eindellungen eingebracht werden können. Seitlich angebrachte Einschnürungen oder Eindellungen oder Querschnittsveränderungen können auch mit einer Steckfühleranordnung kombiniert werden. In diesem Falle bilden die Ultraschallwandler zusammen mit einer Reflexionsfläche eine Einheit, die in das Messrohr mit den Querschnittsveränderungen durch eine entsprechend vorgesehene Öffnung eingesteckt wird. Die mechanische Verbindung zwischen den Ultraschallwandlern und der gegenüberliegenden Reflexionsfläche, kann durch Befestigungsstege erfolgen; alternativ besteht die Möglichkeit, die Befestigung und Reflexionsfläche zusammen als U-förmige Wanne auszubilden, die gemeinsam mit den Ultraschallwandlern Teil der Steckfühlereinheit ist und zumindest von einem Teil der im Messrohr strömenden Strömung des gasförmigen Mediums durchströmt wird.

Die Veränderungen des Strömungsquerschnittes, d.h. die Einschnürungen oder Eindellungen können entweder massiv, d.h. durch lokal vergrößerte Wandstärken ausgebildet werden oder auch durch eine Beeinflussung, d.h. Krümmung der Rohrwand bei gleich bleibender oder wenig geänderter Wandstärke verwirklicht werden. Es ist denkbar, im Bereich der Einschnürung bzw. Eindellungen Turbulatoren anzubringen, um ein Auftreten von Strömungsabrissen an den Einschnürungen oder stromab von diesen zu unterdrücken.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung eines Ultraschall-Durchflussmessers,
2 eine Diagonalmessstrecke mit verkippt zueinander angeordneten Ultraschallwandlern mit beidseitig ausgebildeten Rohreinschnürungen,
3 die Ausbildung einer Rohreinschnürung bei auf einer Seite des Messrohres angebrachten Ultraschallwandlern,
4 eine Eindellung des Strömungsrohrs gegenüber den beiden auf einer Seite des Strömungsrohres angeordneten Ultraschallwandlern,
5 eine Querschnittsänderung des Strömungsrohres von rundem Strömungsquerschnitt auf ovalem Querschnitt und
6 eine Querschnittsänderung des Strömungsrohres, hervorgerufen durch seitliche Eindellungen.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Aufbau eines Ultraschall-Durchflussmessers gemäß des Standes der Technik zu entnehmen.
Innerhalb eines Messrohres M, welches symmetrisch zu seiner Symmetrieachse S ausgebildet ist, strömt ein durch den Pfeil angedeutetes gasförmiges Medium, wie zum Beispiel die zur Zylinderfüllung von Zylindern einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine dienende Luft. In Ausbuchtungen des Messrohres ist ein erster Ultraschallwandler P1 sowie ein zweiter Ultraschallwandler P2 aufgenommen. Die Ultraschallwandler P1 und P2 liegen einander gegenüber geneigt um den Neigungswinkel α. Der Abstand, in welchem die Ultraschallwandler P1 und P2 im Messrohr voneinander beabstandet sind, ist durch L bezeichnet. Jeder der Ultraschallwandler P1 bzw. P2 kann sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden. Aus der Messung der Laufzeit t₁ eines Ultraschallsignales, gesendet vom Ultraschallwandler P1 an den empfangenden Ultraschallwandler P2 in Strömungsrichtung und aus der Laufzeit t2, welches das Ultraschallsignal benötigt, um vom empfangenden Ultraschallwandler P2 an den sendenden Ultraschallwandler P1 reflektiert zu werden, resultiert ein Laufzeitunterschied. Der Laufzeitunterschied, ermittelt aus den Differenzen der Laufzeiten t1 und t2 in Strömungsrichtung des strömenden Mediums und entgegen der Strömungsrichtung des strömenden Mediums, ist ein Maß für die im Messrohr M strömende Menge des gasförmigen Mediums.
2 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist eine gegenüberliegende Anordnung 36 eines ersten Ultraschallwandlers 14 und eines zweiten Ultraschallwandlers 16 in einem Strömungsrohr 10 wiedergegeben. Die Stromlinien, entsprechend derer das gasförmige Medium das Strömungsrohr 10 durchströmt, sind durch Bezugszeichen 12 identifiziert. Die Ultraschallwandler 14 und 16 sind derart in einer Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 untergebracht, dass sich Ultraschallsignale 18 im Wesentlichen schräg zur Hauptströmungsrichtung durch das strömende Medium auszubreiten vermögen. Aufgrund der gekippten Anordnung des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 ergeben sich eine erste Aussparung 22 neben dem ersten Ultraschallwandler 14 und eine dieser etwa gegenüberliegende zweite Aussparung 24 neben dem zweiten Ultraschallwandler 16. Aufgrund der gekippten Anordnung des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 entsteht eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung der Schallausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale 18 und damit die Grundlage für eine Ermittlung einer Laufzeitänderung, deren Betrag wiederum ein Maß für die Strömungsrate des im Strömungsquerschnitt des Strömungsrohres 10 strömenden gasförmigen Mediums. In der ersten Aussparung 22 und der zweiten Aussparung 24 können sich Strömungsablösungen bilden, da der Bereich der ersten Aussparung 22 und der der zweiten Aussparung 24 Todwassergebiete darstellen, welche die Strömungsmessung verfälschen können. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als Abhilfe gegen in der ersten Aussparung 22 und in der zweiten Aussparung 24 sich einstellende Strömungsablösung eine Einengung des Rohrquerschnittes des Strömungsrohres 10 durch eine erste Einschnürung 26 und eine zweite Einschnürung 28 herbeizuführen.
Im Bereich vor den Einengungen 26, 28 bzw. stromab der Einengungen 26 bzw. 28 ist der Strömungsquerschnitt durch Bezugszeichen 32 angedeutet. Im Bereich der ersten Einschnürung 26 und der zweiten Einschnürung 28 entsteht ein verengter Strömungsquerschnitt, der mit Bezugszeichen 34 identifiziert ist.
Aufgrund der Einschnürungen 26 bzw. 28 werden die Stromlinien 12 ausgelenkt, angedeutet durch Bezugszeichen 30, derart, dass die Stromlinien sich der ersten Aussparung 22 in der Rohrwand 20 bzw. der zweiten Aussparung 24 in der Rohrwand 20 annähern. Dies bedeutet, dass sich die Strömung des gasförmigen Mediums in der ersten Aussparung 22 bzw. der zweiten Aussparung 24 besser an die Kontur der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 anlegt, welche die Strömung des gasförmigen Mediums begrenzen. Es verbleibt eine Strömungskomponente in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale 18, so dass ein ausreichend starkes Signal erhalten wird, welchem allerdings weit weniger Störanteile überlagert sind.
Die in 2 dargestellten ersten und zweiten Einschnürungen 26 bzw. 28 können sowohl durch eine dementsprechende Deformation der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 erzeugt werden als auch durch entsprechende Materialanhäufungen an der dem gasförmigen Medium zugewandten Innenseite der Rohrwand 20. Die Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 kann sowohl aus einem metallischen Material hergestellt werden, als auch aus Kunststoffmaterial spritzgegossen werden. Bei Herstellung des Strömungsrohres 10 aus einem Kunststoffmaterial können in vorteilhafter Weise bereits die Aufnahmeöffnungen für den ersten Ultraschallwandler bzw. den zweiten Ultraschallwandler 16 mitgefertigt werden. Aufgrund der Verkippung des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 in der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 stellt sich die erste Aussparung 22 sowie die zweite Aussparung 24, die im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet sind, nahezu zwangsläufig ein.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine Ultraschallwandleranordnung zu entnehmen, die einseitig am Strömungsrohr angeordnet ist.
Der Ausführungsvariante gemäß 3 dargestellte einseitige Anordnung 38 des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 stellt eine kompaktbauende Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung dar. Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass im Sendemodus des ersten Ultraschallwandlers 14 Ultraschallsignale 18 von diesem an eine Reflexionsfläche gesendet werden. In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist die Reflexionsfläche als eine Materialerhebung bzw. Materialanhäufung 44 an einer ebenen Rohrfläche 46 des Strömungsrohres 10 ausgeführt. An der Materialanhäufung 44 bzw. der Erhebung 44 werden die vom ersten Ultraschallwandler 14 emittierten Ultraschallsignale 18 an dem im Empfangsmodus arbeitenden zweiten Ultraschallwandler 16 reflektiert. Die erhaltenen Ultraschallsignale werden hinsichtlich ihrer Laufzeitunterschiede in einer in 3 nicht dargestellten Auswerteschaltung ausgewertet, die über einen elektrischen Anschluss mit einem Steuergerät für die Verbrennungskraftmaschine verbunden sein kann.
Mit Bezugszeichen 32 ist der Strömungsquerschnitt bezeichnet, der im Strömungsmessrohr 10 in Strömungsrichtung gesehen vor der Materialanhäufung 44 herrscht. Aufgrund der Materialanhäufung 44 auf der ebenen Rohrfläche 46 des Strömungsrohres 10 stellt sich dort ein verengter Strömungsquerschnitt 34 ein.
Die Verkippung des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 ist durch den Kippwinkel 42 angedeutet, welcher die Verkippung des ersten Ultraschallwandlers 14 und des zweiten Ultraschallwandlers 16 relativ zu deren Normalen bezeichnet. Auch für die in 3 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in einseitiger Anordnung 38 gilt, dass als Material für das Strömungsrohr 10 ein metallisches Material oder ein Kunststoffmaterial herangezogen werden kann. Die Materialanhäufung 44 kann beispielsweise im Wege des Spritzgießverfahrens direkt bei der Herstellung des Strömungsrohres 10 gefertigt werden. Die in 3 dargestellte Materialanhäufung 44 auf der ebenen Rohrfläche 46 des Strömungsrohres 10 hat neben der Funktion einer Einschnürung, d.h. einer Quer schnittsverengung im Strömungsrohr 10 die Funktion einer Reflexionsfläche für das von einem der Ultraschallwandler 14 bzw. 16 emittierte Ultraschallsignal 18.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen. Die in 4 dargestellte Ausführungsvariante zeigt ebenfalls eine einseitige Anordnung 38 eines ersten Ultraschallwandlers 14 und eines zweiten Ultraschallwandlers 16. Die beiden Ultraschallwandler 14, 16 sind – getrennt durch eine Aussparung 40 – auf einer Seite in der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 eingelassen. Im Sendemodus des ersten Ultraschallwandlers 14 werden von diesem beispielsweise Ultraschallsignale 18 emittiert, die nach Reflexion von einer als Eindellung 48 ausgebildeten Reflexionsfläche an den zweiten Ultraschallwandler 16 reflektiert werden. Die beiden Ultraschallwandler 14 bzw. 16 sind um den Kippwinkel 42 verkippt zur Normalen auf den ersten Ultraschallwandler 14 bzw. den zweiten Ultraschallwandler 16.
Der freie Strömungsquerschnitt im Strömungsrohr ist durch Bezugszeichen 32 identifiziert, wohingegen der sich aufgrund der Eindellung 48 einstellende verengte Strömungsquerschnitt durch Bezugszeichen 34 identifiziert ist. In Strömungsrichtung gesehen werden aufgrund der Eindellung 48 in der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 die Stromlinien der Strömung des gasförmigen Mediums in Richtung der Aussparung 40 abgelenkt. Dadurch schmiegen sich die Stromlinien stärker an die dort herrschende Außenkontur der Rohrwand 20 an, die im Falle der Ausführungsvariante gemäß 4 durch die Verbindung zwischen dem ersten Ultraschallwandler 14 und dem zweiten Ultraschallwandler 16 gegeben ist. Die Strömung des gasförmigen Mediums wird demnach durch die Eindellung 48 analog zur Darstellung in 2 – aufgrund der dort dargestellten Einschnürstellen 26 und 28 – derart ausgelenkt, dass der Strömung eine Geschwindigkeitskomponente in vertikale Richtung, d.h. in Richtung auf den ersten Ultraschallwandler 14 und den zweiten Ultraschallwandler 16 hin, aufgeprägt wird.
In der Ausführungsvariante gemäß 4 kann das Strömungsrohr 10 sowohl aus einem metallischen Material wie auch aus einem Kunststoffmaterial geformt sein. Je nach Materialwahl des Strömungsrohres 10 kann die Eindellung 48 zum Beispiel durch Verformen des Strömungsrohres 10 aus metallischem Material bzw. durch Erwärmen eines Strömungsrohres 10 aus Kunststoffmaterial oder direkt bei der Herstellung des Strömungsrohres 10 erzeugt werden.
Optional ist es auch möglich, an der den Ultraschallwandlern 14, 16 zuweisenden Seite der Eindellung 48 eine das Reflexionsverhalten verbessernde Beschichtung auf der Innenwand 50 des Strömungsrohres aufzubringen. Anstelle einer Beschichtung kann auch ein Insert oder dergleichen gewählt werden, das etwa im Zentrum der Eindellung 48 an der Innenseite 50 der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 eingelassen werden kann und ebenfalls das Reflexionsverhalten von emittierten Ultraschallsignalen 18 erheblich verbessert. Damit ist es möglich, als Werkstoff für das Strömungsrohr 10 einen relativ preiswerten Werkstoff einzusetzen, während das Inlay an der Innenwand 50 des Strömungsrohres 10 durchaus aus einem qualitativ hochwertigen Werkstoff gefertigt werden kann.
Der Darstellung gemäß 5 ist eine weitere Ausführungsvariante einer Änderung der Strömungsquerschnittsgeometrie eines Strömungsrohres zu entnehmen. Das in 5 dargestellte Strömungsrohr 10 umfasst in Strömungsrichtung gesehen zunächst einen kreisrunden Strömungsquerschnitt, der mit Bezugszeichen 52 bezeichnet ist. Der kreisrunde Strömungsquerschnitt 42 wird durch die Innenwand 50 des Strömungsrohres 10 gebildet. In Strömungsrichtung gesehen ändert sich der Querschnitt des Strömungsrohres 10 für das gasförmige Medium, dessen Strömungsrate zu messen ist, vom kreisrundem Querschnitt 52 in den mit Bezugszeichen 54 identifizierten ovalen Querschnitt. Der ovale Querschnitt 54 innerhalb des Strömungsrohres 10 ist durch eine erste Halbachse 56 sowie eine zweite dazu senkrecht konfigurierte zweite Halbachse 58 identifiziert; ähnlich einer Elypse.
In der Darstellung gemäß 5 verlaufen die Ultraschallsignale 18 im ovalen Querschnitt 54 parallel zur zweiten Halbachse 58.
In Strömungsrichtung gesehen, kann sich der ovale Querschnitt 54 auch wieder auf den kreisrunden Querschnitt 52 erweitern, sofern dies erforderlich ist. Aufgrund des Querschnittswechsels von kreisrundem Strömungsquerschnitt 52 auf einen ovalen Strömungsquerschnitt 54 entsteht eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung, die sowohl bei einer Diagonal- als auch bei einer Reflexions-Messanordnung zu einer Reflexion von Ablösungen der Strömungen im Bereich der Ultraschallwandler führt. In der Ausführungsvariante gemäß 5 sind die beiden Ultraschallwandler nicht dargestellt.
In 6 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, gemäß der eine Verengung des Strömungsquerschnittes durch seitlich angeordnete Eindellungen erfolgt.
Der Darstellung gemäß 6 ist entnehmbar, dass aufgrund der beiden sich im Strömungsquerschnitt befindenden seitlichen Eindellungen 60 eine Verengung des Strömungsquerschnittes auftritt. Demnach werden die Stromlinien des strömenden Mediums nach innen hin ausgelenkt. Die seitlich angeordneten Eindellungen 60 stellen lokal begrenzte Eindellungsstellen für die Strömung des im freien Strömungsquerschnitt strömenden gasförmigen Mediums dar.
Aus der Darstellung gemäß 6 geht hervor, dass die beiden seitlich angebrachten Eindellungen 60 einander gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils eine mit Bezugzeichen 62 identifizierte gerundete Kontur aufweisen. Die seitlichen Eindellungen 60 können entweder durch eine entsprechende Verformung der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 erzeugt werden oder auch durch entsprechend angebrachte Materialanhäufungen an der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10. Die von den in 6 nicht dargestellten Ultraschallwandlern 14 bzw. 16 ausgehenden Ultraschallsignale sind durch Bezugszeichen 18 identifiziert.
Die in den 5 und 6 dargestellten seitlichen Einschnürungen, sei es durch eine Querschnittsänderung von runden Querschnitt 52 auf ovalen Querschnitt 54 und eine sich daran anschließende Querschnitterweiterung auf den kreisrunden Querschnitt 52 oder durch Anbringen von zwei einander gegenüberliegenden seitlichen Eindellungen, können mit einer Steckfühleranordnung kombiniert werden. Gemäß dieser zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvarianten würden die Ultraschallwandler 14, 16 zusammen mit einer Reflexionsfläche eine Einheit bilden, die durch eine Aufnahmeöffnung in der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10 mit den dargestellten Querschnittsveränderungen versehen, eingesteckt wird. Eine mechanische Verbindung zwischen den Ultraschallwandlern 4 bzw. 16 und der diesen gegenüberliegenden angeordneten Reflexionsfläche, kann zum Beispiel durch Befestigungsstege oder Seitenwänden erfolgen. Alternativ besteht die Möglichkeit eine U-förmige Wanne aus Befestigungs- und Reflexionsfläche darzustellen, die gemeinsam mit den Ultraschallwandlern Teil einer integralen Steckfühlereinheit ist und zumindest von einem Teil der im Strömungsrohr 10 strömenden Gasströmung durchströmt wird.
Sämtliche dargestellten Einschnürungen, erzeugt in oder an der Rohrwand 20 des Strömungsrohres 10, können wahlweise in Massivbauweise, d.h. zum Beispiel lokal vergrößerte Wandstärken ausgeführt sein, oder auch durch Eindellungen und Verkrümmungen der Rohrwand 20 bei gleich bleibender oder lediglich wenig geänderter Wandstärke ausgeführt werden. Schließlich ist es ebenfalls möglich, im Bereich der Einschnürungen, d.h. in Bezug auf die Darstellung gemäß 1 im Bereich der ersten Einschnürung 26 und der zweiten Einschnürung 28, in Bezug auf die Darstellung gemäß 3 im Einlaufbereich der Materialanhäufung 44, in Bezug auf 4 im Einlaufbereich der Eindellung 48 sowie in Bezug auf die 5 und 6 entweder im ovalen Strömungsquerschnitt 54 oder im Einlaufbereich der seitlichen Eindellungen 60 Turbulatoren vorzusehen. Mittels der Turbulatoren wird erreicht, dass Strömungsabrisse an den genannten Einschnürstellen, d.h. verengten Strömungsquerschnitten 34 vermieden werden. Die angesprochenen Turbulatoren begünstigen ferner, dass auch abströmseitig von den dargestellten Einschnürungen 26, 28; 44, 48, 54 bzw. 60 keine Strömungsabrisse erfolgen können.

P1: erste Ultraschallwandler
P2: zweite Ultraschallwandler
α: Neigungswinkel
L: Abstand P1–P2
V: strömendes Medium
M: Messrohr
S: Symmetrieachse
10: Strömungsrohr
12: Stromlinien gasförmiges Medium
14: erster Ultraschallwandler
16: zweiter Ultraschallwandler
18: Ultraschallsignal
20: Rohrwand
22: erste Aussparung
24: zweite Aussparung
26: erste Einschnürung
28: zweite Einschnürung
30: ausgelenkte Stromlinie
32: Strömungsquerschnitt
34: verengter Strömungsquerschnitt
36: gegenüberliegende Anordnung 14, 16
38: einseitige Anordnung
40: Aussparung
42: Kippwinkel
44: Materialanhäufung
46: ebene Rohrfläche
48: Eindellung Rohrwand 20
50: Innenwand Strömungsrohr 10
52: kreisrunder Strömungsquerschnitt
54: ovaler Strömungsquerschnitt
56: erste Halbachse
58: zweite Halbachse
60: seitliche Eindellung
62: gerundete Kontur seitliche Eindellung

Claims

Ultraschall-Messeinrichtung zur Bestimmung der Strömungsrate eines gasförmigen, in einem Strömungsrohr (10) strömenden Mediums mit Ultraschallwandlern (14, 16), die entweder in einseitiger Anordnung (30) oder in einander gegenüberliegender Anordnung (36) in eine Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) integriert sind und welche wahlweise im Sende- oder Empfangsmodus betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsrohr (10) im Bereich der Position der Ultraschallwandler (14, 16) Stromlinien (12) des gasförmigen Mediums auslenkende Querschnittsverengungen (26, 28; 44; 48, 54, 60) ausgebildet sind.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungen im Strömungsrohr (10) durch Materialanhäufungen (26, 28, 44, 60) gebildet sind.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung des Strömungsrohres (10) durch eine erste und eine zweite Einschnürung (26, 28) an der Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) ausgeführt ist.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Einschnürung (26, 28) jeweils einer ersten und einer zweiten Aussparung (22, 24) zugeordnet sind, die im Strömungsrohr (10) einander gegenüberliegen.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungen im Strömungsrohr 10 durch Verformungen (58, 54) der Rohrwand (20) gebildet sind.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einseitiger Anordnung (38) des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers (14, 16) in der Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) eine Materialanhäufung (44) ausgeführt ist, die gleichzeitig als Reflexionsfläche für das Ultraschallsignal (18) fungiert.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung im Strömungsrohr (10) als eine Eindellung (48) der Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) ausgeführt ist und die Eindellung (48) als Reflexionsfläche für das Ultraschallsignal (18) fungiert.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung im Strömungsrohr (10) durch einen ovalen Strömungsquerschnitt (54), der im Bereich des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers (14, 16) im Strömungsrohr (10) ausgebildet ist, gegeben ist.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung durch im Strömungsrohr (10) angeordnete seitliche Eindellungen (60) gegeben ist.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Eindellungen (60) eine gerundete Kontur (62) aufweisen.
Ultraschall-Messeinrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungen (26, 28; 44; 48, 50, 60) Stromlinien (12) des gasförmigen, im Strömungsrohr (10) strömenden Mediums partiell auslenken (30), derart, dass die Stromlinien (12) des gasförmigen Mediums in der Rohrwand (20) des Strömungsrohres (10) ausgebildete Ausnehmungen (22, 24, 40) ausgelenkt werden und den Stromlinien (12) eine Vertikalkomponente aufgeprägt wird.