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Die
Erfindung fällt
in das Gebiet der Ultraschallmesstechnik; sie betrifft eine Ultraschallmessanordnung
für den
Einbau an einem Einrohranschlussstück für ein strömendes Medium in einer Rohrleitung
mit einem eingangsseitigen Anschlusselement und einem ausgangsseitigen
Anschlusselement sowie einem Anschlusselement für die Ultraschallmessanordnung,
die eine Ultraschallmessstrecke umfasst gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ultraschallmessanordnungen
für die
Verbrauchsmessung von Wasser, Wärme
bzw. Kälte funktionieren
nach dem Laufzeitdifferenzprinzip. Für eine genaue Messung ist dabei
grundsätzlich
von Bedeutung, dass die Ultraschallmessstrecke zumindest eine entsprechende
Weglänge
aufweist, um ausgesendete Ultraschallsignale und empfangene Ultraschallsignale
mittels geeigneter Auswerteelektronik identifizieren zu können. Aus
der Laufzeitdifferenz zwischen der mitlaufenden Ultraschallmessung
in Bezug auf das strömende
Medium und der gegenläufigen
Ultraschallmessung ergibt sich dann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums.
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Typischerweise
sind Ultraschallmessrohre mit zwei Ultraschallwandlern – einer
im Zulaufbereich und einer im Ablaufbereich – ausgestattet. Zwischen ihnen
werden Ultraschallsignale gegenseitig hin und hergeschickt, um eine
Laufzeitdifferenzbestimmung durchzuführen.
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Eine
Ultraschallmessanordnung für
den Einbau an einem Einrohranschlussstück in einer Rohrleitung ist
beispielsweise bekannt aus der
DE 101 03 745 A1 . Hier wird eine Messanordnung
für fluide
Medien offenbart, bei der eine Messkapsel mit einer Ultraschallmessstrecke
lösbar
an einem Einrohranschlussstück
montiert ist, wobei dieses Einrohranschlussstück hier „Anschlussarmatur" bezeichnet wird.
Die Ultraschallmessstrecke ist parallel zu der Hauptströmungsrichtung
des Mediums in den Anschlusselementen des Einrohranschlusselements
an einer Rohrleitung angeordnet und ist beiderseits begrenzt durch
jeweils eine Ultraschallwandleranordnung.
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Die
vorgegebene, quasi standardisierte Geometrie des Einrohranschlusselements
zwischen seinen Anschlusselementen in der Rohrleitung begrenzt hier
die Länge
der Ultraschallmessstrecke. Diese sollte aber aus bekannten physikalischen
Bedingungen möglichst
lang sein für
eine präzise
Messung nach dem oben bereits erwähnten Laufzeitdifferenzprinzip,
um auch kleinste Strömungsgeschwindigkeiten
abbilden zu können.
Insbesondere für
diese kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
könnte
die Messanordnung, wie sie die
DE 101 03 745 A1 beschreibt nicht hinreichend
genau sein. Darüber
hinaus erscheint die gesamte Anordnung mit zwei Ultraschallwandlern
beidseits einer Ultraschallmessstrecke als aufwendig.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
020 711 A1 ist ein Durchflussmessgerät für fluide Medien bekannt, das
ebenfalls mit zwei zu beiden Seiten der Ultraschallmessstrecke angeordneten
Ultraschallwandleranordnungen arbeitet.
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Weiterhin
wird in der europäischen
Patentanmeldung
EP
1 106 975 A2 ein Ultraschalldurchflussmesser beschrieben,
der eine mit einer einzigen Ultraschallwandleranordnung betriebene
Ultraschallmessstrecke umfasst. Der Zu- und Ablauf des zu überwachenden
strömenden
Mediums erfolgt bei dieser Ultraschallmessstrecke etwa in der Mitte,
so dass insgesamt eine vergleichsweise kurze Wegstrecke des Ultraschallsignals
innerhalb des zu überwachenden
strömenden
Mediums resultiert.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ultraschallmessanordnung
dahingehend weiter zu entwickeln, dass mit ihr eine gegenüber dem
Stand der Technik genauere Messung der Fliessgeschwindigkeit eines
Mediums erfolgen kann. Darüber
hinaus stellt sich die Erfindung die Aufgabe, diese Ultraschallmessanordnung
in ihrem gesamten Aufbau zu vereinfachen.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.
Diesen Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 9.
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Von
besonderem Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Ultraschallmessanordnung,
dass die in ihr angeordnete Ultraschallmessstrecke trotz äußerlich
kleinerer geometrischer Abmessungen eine deutlich größere Messstreckenlänge gegenüber einer
herkömmlichen
Ultraschallmessanordnung aufweist, wobei diese Ultraschallmessanordnung
an einem Einrohranschlussstück
anschließbar
ist. Die Anschließbarkeit
an ein Einrohranschlussstück
ist wegen der weiten Verbreitung desselben von herausragender Bedeutung.
Hingegen war der Einsatz von Ultraschallmessanordnungen an Einrohranschlussstücken bislang
im wesentlichen aus zwei Gründen
nur eingeschränkt
möglich:
Entweder sind die herkömmlichen
Ultraschallmessanordnungen geometrisch ungeeignet für den Einbau
zwischen einem Einlassrohr und einem Auslassrohr eines Einrohranschlussstücks, oder
die bekannte Messstreckenlänge
ist nicht lang genug, um eine hinreichend präzise Messung durchführen zu
können.
Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Ultraschallmessanordnung
für den Einbau
an einem Einrohranschlussstück
mit einer Ultraschallwandleranordnung auszustatten, die ein Ultraschallsignal
von einer ersten Abstrahlfläche
bzw. Empfangsfläche
entlang einer ersten Wandseite einer Strömungstrennwand einer Ultraschallmessstrecke
zu einem Umlenkspiegel aussendet. An diesem Umlenkspiegel reflektiert
das Ultraschallsignal derart, dass es auf eine zweite Wandseite
der Strömungstrennwand
umgelenkt wird und anschließend wird
dieses Ultraschallsignal von der Ultraschallwandleranordnung an
einer zweiten Abstrahlfläche bzw.
Empfangsfläche
empfangen. Hierdurch durchströmt
jedes Ultraschallsignal die Ultraschallmessstrecke quasi zweimal,
nämlich
von der Ultraschallwandleranordnung zum Umlenkspiegel und wieder zurück. Somit
verfügt
die erfindungsgemäße Ultraschallmessanordnung
erstmals über
eine hinreichend lange Messstreckenlänge zur präzisen Messung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids selbst bei kleinsten Geschwindigkeiten, bei denen herkömmliche
Anordnungen dieser Art versagen. Darüber hinaus gilt es herauszuheben,
dass die geometrischen Aussenabmessungen der gesamten Ultraschallmessanordnung
kleiner sind als diejenigen bekannter Vorrichtungen.
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Des
Weiteren bedarf es bei der erfindungsgemässen Lösung lediglich einer einzigen
Ultraschallwandleranordnung mit einem einzigen Anschluss zur Ultraschallmessstrecke,
zu der gegenüber
dem strömenden
Medium dichtend abgeschlossen werden muss. Der Gesamtaufbau der
neuen Ultraschallmessanordnung bildet somit erstmalig die Synthese
zwischen kleinster möglicher
Aussengeometrie und hinreichend langer Ultraschallmessstrecke für präzise Messungen
sowie darüber
hinaus eines vergleichsweise einfachen Gesamtaufbaus, der mit einem
entsprechend reduzierten Montageaufwand einhergeht.
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Mit
Vorteil ist die Ultraschallmessstrecke senkrecht zu einem Einlassrohr
und zu einem Auslassrohr des Einrohranschlussstücks angeordnet und in einem
Gehäuse
mantelartig von einem Zulaufkanal und einem Ablaufkanal für das Strömungsmedium
umgeben. Im Einrohranschlussstück
erfolgt dabei die hierfür
notwendige Strömungsrichtungsänderung von
horizontal zu vertikal bzw. von vertikal zu horizontal erfährt. Das
Strömungsmedium
wird unmittelbar an der Ultraschallwandleranordnung von dem Zulaufkanal
in die Ultraschallmessstrecke eingeleitet und nach durchlaufen derselben
wiederum unmittelbar an der Ultraschallwandleranordnung in den Ablaufkanal
ausgeleitet.
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Vorteilhaft
ist die Integrierung der Ultraschallwandleranordnung in einer Messwertverarbeitung. Hierdurch
ergeben sich kürzeste
Leitungswege zwischen der Signalerfassung, der Signalaufbereitung und
der Signalweiterverarbeitung. Darüber hinaus ist hervorzuheben,
dass lediglich die eine Ultraschallwandleranordnung die Ultraschallmessstrecke
einmal dichtend verschliessen muss. Der Ultraschallwandleranordnung
gegenüberliegend
ist der Umlenkspiegel angeordnet, der unmittelbar dem Einrohranschlussstück benachbart
ist.
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Der
Umlenkspiegel weist mit Vorzug einen Umlenkwinkel von 90° auf, wodurch
einfallende Ultraschallwellen auf eine Ultraschall reflektierende Schicht
zweimal, nämlich
um 180°,
gespiegelt zurückgeworfen
werden. Diese 180°-Umlenkung
von einfallenden Ultraschallwellen erfolgt dabei achsensymmetrisch
zu einer gedachten Zentralachse des Ultraschallmessrohrs bzw. einer
Kegelspitze des Umlenkspiegels.
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Mit
besonderem Vorteil ist die Ultraschallmessanordnung aus Kunststoff
gefertigt ist. Hierdurch kann sogar diese Ultraschallmessanordnung ohne
gesundheitliche Beeinflussung im Lebensmittelbereich eingesetzt
werden. Darüber
hinaus ist die Fertigung und die Montage aller Einzelkomponenten der
Ultraschallmessanordnung auf einfache Weise durchführbar, da
hier Kunststoffgiessverfahren zum Einsatz gelangen und die Einzelgussteile
dichtend miteinander verklebt werden können.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Alle
Vorteile und Details der Erfindung hinsichtlich der Vorrichtung
zur Durchflussmessung und des Verfahrens werden nachfolgend anhand
des Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einrohranschlussstück
nach dem Stand der Technik und
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2 eine
erfindungsgemässe
Ultraschallmessanordnung.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
ein bekanntes Einrohranschlussstück 9 gezeigt,
das in einer hier nicht dargestellten Rohrleitung mit einem Einlassrohr 18 und
einem Auslassrohr 19 einsetzbar ist. Das Einlassrohr 18 weist ein
eingangsseitiges Anschlusselement 11 auf und das Auslassrohr 19 ein
ausgangsseitiges Anschlusselement 12 auf.
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In
einem Winkel von 90° ist
zu dem Einlassrohr 18 und dem Auslassrohr 19 ein
Anschlusselement 13 für
eine Ultraschallmessanordnung 1 (2) vorgesehen.
Entsprechend der abgewinkelten Anordnung ist mit 3 die
Strömungsrichtung
eines strömenden
Mediums gezeigt, und zwar von einem im wesentlichen horizontalen
Zulauf im Einlassrohr 18 zu einer vertikalen Folgeströmung und
abstromseitig wieder zu einem horizontalen Ablauf im Auslassrohr 19.
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2 zeigt
eine Ultraschallmessanordnung 1 im wesentlichen umfassend
eine Ultraschallmessstrecke 8, die ummantelt wird von einem
Zulaufkanal 14 und einem Ablaufkanal 15, und einer
Ultraschallwandleranordnung 5. Darüber hinaus ist die Ultraschallmessanordnung 1 mit
einem Befestigungsring 10 versehen, mit dem eine Montage
an dem Anschlusselement 13 des Einrohranschlussstücks 9 (2)
ermöglicht
wird. Die Ultraschallwandleranordnung 5 ist in einer Messwertverarbeitung 17 integriert.
Diese Ultraschallwandleranordnung 5 weist mindestens eine
erste Ultraschall 6 abstrahlende bzw. empfangende Abstrahlfläche bzw.
Empfangsfläche 16a und
eine zweite Ultraschall 6 abstrahlende bzw. empfangende
Abstrahlfläche
bzw. Empfangsfläche 16b,
wobei die erste und die zweite Abstrahlfläche bzw. Empfangsfläche 16a, 16b entsprechend
mit einem ersten und einem zweiten Signalelektrodenanschluss 5a, 5b ausgestattet
sind.
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Da
die Ultraschallmessstrecke 8 senkrecht zu der Strömungsrichtung 3 eines
Mediums in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet ist,
ist zwischen dem Einlassrohr 18 und dem Auslassrohr 19 – die aufgrund
der Einbaubedingungen vergleichsweise nahe beieinander liegen – eine längere Ultraschallmessstrecke 8 möglich als
der Abstand zwischen diesem Einlassrohr 18 und diesem Auslassrohr 19 erlauben
würde.
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Die
Ultraschallmessstrecke 8 ist mittels einer Strömungstrennwand 2 in
zwei Strömungspfade
aufgeteilt. Die Strömungstrennwand 2 teilt
dabei nicht nur die Ultraschallmessstrecke 8 sondern darüber hinaus
die Ultraschallwandleranordnung 5 in eine erste und eine
zweite Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16a, 16b.
Zum Umlenkspiegel 7 hin ist die Strömungstrennwand 2 unterbrochen,
sodass ihr freies Ende von dem Medium – an dem Umlenkspiegel 7 vorbei – umströmt werden
kann. Der Umlenkspiegel 7 weist einen Umlenkwinkel α auf, der
im günstigsten
Fall 90° gross
ist, um eine gesamthafte Umlenkung von 180° bereit zu stellen. Ein Ultraschallsignal 6,
das durch die Messstrecke 8 entlang der Strömungstrennwand 2 auf
den Umlenkspiegel 7 auftrifft, wird durch diesen nämlich zweimal
umgelenkt und auf einer Rückseite
der Strömungstrennwand 2 zu
der Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16a, 16b zurückgeführt. Die
Umlenkung des Ultraschallsignal 6 erfolgt achsensymmetrisch
zu einer nicht dargestellten Zentralachse des Ultraschallmessrohrs
bzw. einer Kegelspitze des Umlenkspiegels 7, so dass das
Ultraschallsignal 6 integral über eine beliebige gedachte Querschnittfläche jederzeit
in der Ultraschallmessstrecke die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit
aufweist. Über
einen ersten und einen zweiten Signalelektrodenanschluss 5a, 5b ist
die Ultraschallwandleranordnung 5 elektrisch mit der Messwertverarbeitung 17 verbunden.
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Von
der zweiten Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16b wird ebenfalls
ein (hier nicht dargestelltes) Ultraschallsignal ausgesendet, das
entgegen der Fliessrichtung 3 des Mediums durch das Messrohr 1 wandert
und von der ersten Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16a erfasst wird.
Aus der Laufzeitdifferenz beider empfangener Ultraschallsignale
mit und gegen die Fliessrichtung 3 des Mediums ergibt sich auf
konventionellem Weg die Fliessgeschwindigkeit des Mediums. Mittels
einer Temperaturdifferenz -ermittelt von zwei Temperatursensoren-
kann nachfolgend die Bestimmung einer bezogenen Wärmemenge
erfolgen. Ein Temperatursensor ist mit 20 in 2 bezeichnet.
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Durch
die 90° Drehung
der Ultraschallmessstrecke 1 gegenüber dem Einlassrohr 18 bzw.
Auslassrohr 19 des Mediums fällt die Länge der Ultraschallmessstrecke 1 wesentlich
grösser
aus als das Einlassrohr 18 vom Auslassrohr 19 beabstandet
ist. Diese längere
Ultraschallmessstrecke 1 erlaubt wegen der entsprechend
grossen Länge,
dass selbst kleinste Fliessgeschwindigkeiten des Mediums mittels
Ultraschalllaufzeitmessung exakt auflösbar sind.
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Darüber hinaus
bedarf es mit der erfindungsgemässen
Ausführung
der Gesamtanordnung lediglich eines Schallkopfgehäuses mit
einer Ultraschallwandleranordnung 5. Dabei ist sowohl eine
Anordnung mit einem hier nicht näher
beschriebenen Piezoschwinger mit geteilten Abstrahl- bzw. Empfangsflächen 16a, 16b im
Sinne der Erfindung, als auch eine Anordnung, bei der die Ultraschallwandleranordnung 5 zwei
Piezoschwinger umfasst. Selbst mehr als zwei Piezoschwinger sind
denkbar im Sinne der Erfindung.
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Ohne
den erfinderischen Grundgedanken zu verlassen, wäre ebenfalls denkbar die Strömungstrennwand 2 keilförmig auszugestalten,
das heisst, dass die Strömungstrennwand 2 an
ihrer dem Umlenkspiegel 7 zugewandten Seite konisch spitz
zuläuft,
wohingegen die der Ultraschallwandleranordnung 5 zugewandten
Seite der Strömungstrennwand 2 dicker
sein würde.
Im Extremfall könnte
diese Strömungstrennwand 2 auch
als V-förmig
gebogenes Blech ausgebildete sein.
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- 1
- Ultraschallmessanordnung
mit 14, 15
- 2
- Strömungstrennwand
- 3
- Strömungsrichtung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Ultraschallwandleranordnung
- 5a
- Signalelektrodeanschluss
- 5b
- Signalelektrodeanschluss
- 6
- Ultraschallsignal
- 7
- Umlenkspiegel
für Ultraschallsignal
- 8
- Ultraschallmessstrecke
- 9
- Einrohranschlussstück
- 10
- Befestigungsring
- 11
- eingangsseitiges
Anschlusselement
- 12
- ausgangsseitiges
Anschlusselement
- 13
- Anschlusselement
für 1
- 14
- Zulaufkanal
- 15
- Ablaufkanal
- 16a,
b
- Abstrahlfläche bzw.
Empfangsfläche
für Ultraschallsignale
- 17
- Messwertverarbeitung
- 18
- Einlassrohr
- 19
- Auslassrohr
- 20
- Temperatursensor
- 21
- Beschichtung
- α
- Umlenkwinkel