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Die
Erfindung betrifft ein Ultraschalldurchflußmeßgerät, insbesondere Clampon-Ultraschalldurchflußmeßgerät, zur Messung
des Durchflusses durch eine von einem Medium durchströmte Leitung, mit
wenigstens einem Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallwandler
innerhalb einer elektromagnetischen Abschirmeinrichtung in Form
eines metallischen oder zumindest metallisch beschichteten Gehäuses vorgesehen
ist, der Ultraschallwandler ein Piezo-Element aufweist, ein Anschlußelement
zur Anbringung des Ultraschallwandlers an der Leitung vorgesehen
ist und das Piezo-Element auf dem Anschlußelement befestigt ist.
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Clamp-on-Ultraschalldurchflußmeßgeräte zeichnen
sich dadurch aus, daß sie
besonders einfach eingesetzt werden können: Im Gegensatz zu anderen
Ultraschalldurchflußmeßgeräten, die
in bestehende Rohrleitungssysteme fest integriert werden müssen, indem
sie ein Stück
der Rohrleitung ersetzen, können
Clamp-on-Durchflußmeßgeräte einfach von
außen
auf einen geeigneten Leitungsabschnitt des Rohrleitungssystems aufgesetzt
werden. Dieser Leitungsabschnitt, an dem das Clamp-on-Ultraschalldurchflußmeßgerät angebracht
ist, wird damit quasi zur Meßleitung,
ohne daß es
einer eigenen separaten Meßleitung
bedarf, die in das Rohrleitungssystem aufwendig eingesetzt werden
muß. Dies
macht die Verwendung von Clamp-on-Ultraschalldurchflußmeßgeräten einfach
und kostengünstig.
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Bei
Clamp-on-Ultraschalldurchflußmeßgeräten, wie
auch bei anderen Ultraschalldurchflußmeßgeräten, ist jedoch häufig problematisch,
daß die
erzielbaren Signale nur sehr gering sind. Dies ist z. B. auf geringe
Betriebsspannungen aufgrund von eigensicher ausgebildeten Stromkreisen
zurückzuführen. Darüber hinaus
wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
auch durch nicht angepaßte
akustische Übergänge zwischen
unterschiedlichen Materialien verschlechtert. Schließlich kommt
es auch auf dem Signalweg zu Signalverlusten aufgrund von Dämpfungseffekten
in dem jeweiligen Medium. Damit ist häufig ein nur sehr geringes
Meßsignal
verbunden, das von einem empfangenden Ultraschallwandler ausgegeben
wird. Ein solches geringes Meßsignal
ist nun insbesondere hinsichtlich elektromagnetischer Störungen stark
anfällig.
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Aus
der
US 4,948,552 ist
ein Ultraschalldurchflußmeßgerät der zuvor
beschriebenen Art bekannt, wobei das Ultraschalldurchflußmeßgerät eine an- und abklappbare
Ultraschallwandlereinheit aufweist. Innerhalb des Gehäuses der
Ultraschallwandlereinheit befindet sich ein Piezo-Element, das Ultraschallsignale
erzeugen kann, die mittels eines Wellenleiters zum Meßrohr hingeführt werden.
Bei dem Wellenleiter handelt es sich um keramisches Material, das
gleichzeitig als Anschlußelement
zur Anbringung des Ultraschallwandlers an die Leitung dient; das
Ultraschalldurchflußmeßgerät weist
daher ebenfalls die vorgenannten Nachteile auf.
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Aus
der
EP 1 248 081 A1 und
aus der
EP 1 291 620
A2 sind weitere Clampon-Ultraschalldurchflußmeßgeräte bekannt,
die gegenüber
elektromagnetischen Einflüssen
noch anfälliger
sind, da sie keinerlei Abschirmung für den Ultraschallwandler vorsehen,
also auch kein metallisches oder zumindest metallisches beschichtetes
Gehäuse
für den
Ultraschallwandler aufweisen.
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Damit
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Ultraschalldurchflußmeßgerät, insbesondere
ein Clamp-on-Ultraschalldurchflußmeßgerät, anzugeben, das ein gutes
Signal-zu-Rausch-Verhältnis
liefert.
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Ausgehend
von dem eingangs beschriebenen Ultraschalldurchflußmeßgerät ist diese
Aufgabe dadurch gelöst,
daß zwischen
dem Piezo-Element und dem Anschlußelemen eine Zwischenplatte
vorgesehen ist, die von einem Teil des metallischen oder metallisch
beschichteten Gehäuses
gebildet wird.
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Hinsichtlich
eines Aspekts der Erfindung ist also vorgesehen, daß Maßnahmen
getroffen werden, die gewährleisten,
daß der
Ultraschallwandler keinen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt wird. Können in
die Leitungen und Bauteile, wie elektronische Bauteile, des Ultraschallwandlers
keine elektromagnetischen Störungen
einkoppeln, so ist es möglich,
z. B. mittels einer abgeschirmten Leitung, das von einem empfangenden
Ultraschallwandler ausgegebene Signal zumindest im wesentlichen
frei von äußeren Störungen auszukoppeln.
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Grundsätzlich sind
unterschiedliche Abschirmeinrichtungen möglich, wie z. B. derart, daß die Abschirmeinrichtung
von einem metallischen oder zumindest metallisch beschichteten Gehäuse gebildet wird.
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Durch
das Vorsehen der in Rede stehenden Zwischenplatte lassen sich weitere
Vorteile erzielen, nämlich
eine optimale Anpassung des Übergangs der
Ultraschallsignale von dem Piezo-Element auf das Anschlußelement
durch entsprechende geometrische Ausgestaltung und Anpassung der
Zwischenplatte, wie weiter unten im Detail ausgeführt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zum elektrischen
Anschluß des
Ultraschallwandlers ein Kabel mit einer Abschirmung vorgesehen ist
und die Abschirmung des Kabels mit der Abschirmeinrichtung galvanisch
leitend verbunden ist. Damit wird der zuvor schon geschilderte Vorteil
erzielt, daß das
von dem Ultraschallwandler ausgegebene Meßsignal quasi frei von äußeren Störungen ausgegeben
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung des
Vorsehens einer Zwischenplatte zwischen dem Piezo-Element und dem
Anschlußelement
ist somit nicht nur für
ein derartiges Ultraschalldurchflußmeßgerät verwendbar, dessen Ultraschallwandler
innerhalb einer elektromagnetischen Abschirmeinrichtung vorgesehen
ist, sondern auch für
ein Ultraschalldurchflußmeßgerät mit einem
nicht gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmten Ultraschallwandler.
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Im
folgenden werden bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben,
die solche Ausgestaltungen der zuvor genannten Ultraschalldurchflußmeßgerate
betreffen, bei denen jedenfalls realisiert ist, daß zwischen
dem Piezo-Element
und dem Anschlußelement
eine Zwischenplatte vorgesehen ist.
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Grundsätzlich kann
die Zwischenplatte unterschiedlichen Geometrien folgen. Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Oberseite
und die Unterseite der Zwischenplatte parallel zueinander verlaufen.
Auf diese Weise werden die durch die Zwischenplatte laufenden Ultraschallsignale
den geringstmöglichen Beeinflussungen
durch die Geometrie der Zwischenplatte unterworfen.
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Grundsätzlich kann
das Piezo-Element auf verschiedene Weisen elektrisch angeschlossen
sein. Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Zwischenplatte als
ein elektrischer Anschluß für das Piezo-Element dient.
Dazu kann die Zwischenplatte mit einem metallischen Anteil in direktem
physikalischen, galvanisch leitenden Kontakt mit dem Piezo-Element
stehen. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß das Piezo-Element
plan auf der Zwischenplatte bzw. Teilen der Zwischenplatte aufliegt.
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Weiterhin
ist gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Piezo-Element
mittels der Zwischenplatte an dem Anschlußelement befestigt ist. Dazu
kann gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Zwischenplatte wenigstens
eine Ausnehmung aufweist, in der eine Klebemittelschicht zur Befestigung
des Piezo-Elements
an dem Anschlußelement
vorgesehen ist. Das heißt
mit anderen Worten, daß das
Piezo-Element auf das Anschlußelement
aufgeklebt ist, nämlich
mittels der in der Ausnehmung der Zwischenplatte vorgesehenen Klebemittelschicht.
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Diesbezüglich ist
gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ferner vorgesehen, daß die Dicke
der Klebemittelschicht der Dicke der Zwischenplatte entspricht.
Schließlich
ist gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung vorgesehen, daß der Meßwandler
zum Betrieb mit einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz vorgesehen
ist und die Dicke der Zwischenplatte einem Viertel der Ultraschallwellenlänge in der
Klebemittelschicht bei der vorbestimmten Ultraschallfrequenz entspricht.
Auf diese Weise wird ebenfalls eine optimale Anpassung erzielt,
die die geringsten Verluste gewährleistet.
Für die
Klebemittelschicht kann ein elektrisch leitfähiger Kleber vorgesehen sein,
so daß die
elektrische Kontaktierung des Piezo-Elements nicht zwingend über die Zwischenplatte
erfolgen muß.
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Zuvor
ist schon gesagt worden, daß die
Zwischenplatte Bestandteil einer elektromagnetischen Abschirmeinrichtung
für den
Ultraschallwandler sein kann. In diesem Fall, aber auch ansonsten
ist gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Zwischenplatte
zumindest auf der dem Piezo-Element zugewandten Seite, vorzugsweise
vollständig,
metallisch ist. Eine solche metallische Ausbildung der Zwischenplatte
ist auch für
die zuvor beschriebene Funktion der Zwischenplatte als elektrischer
Anschluß für das Piezo-Element
erforderlich.
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Der
elektrische Anschluß des
Piezo-Elements auf seiner der Zwischenplatte gegenüberliegenden
Seite kann auf verschiedene weisen ausgebildet sein. Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß das Piezo-Element
auf seiner der Zwischenplatte gegenüberliegenden Seite als elektrischen
Anschluß eine auf
dem Piezo-Element anliegende Anschlußfeder aufweist. Damit wird
eine besonders einfache und verläßliche elektrische
Kontaktierung des Piezo-Elements erzielt.
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Grundsätzlich kann
das Piezo-Element frei auf dem Anschlußelement befestigt sein. Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß das Anschlußelement
Positionierungseinrichtungen für
das Piezo-Element aufweist. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen
sein, daß das
Anschlußelement
als Positionierungseinrichtungen von dem Anschlußelement hervorstehende Wände oder
Stifte aufweist, innerhalb derer ein genau definierter Positionierungsort
für das
Piezo-Element bestimmt ist.
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Schließlich kann
das Anschlußelement
aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein und unterschiedlichen
Geometrien folgen. Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß als Anschlußelement
ein, vorzugsweise aus Kunststoff gefertigter, Keil vorgesehen ist.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben.
In der Zeichnung zeigt
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1 die
gesamte Ultraschallwandlereinrichtung eines Ultraschalldurchflußmeßgeräts gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer Explosionsdarstellung,
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2 einen
ersten Schnitt der Ultraschallwandlereinrichtung des Ultraschalldurchflußmeßgeräts gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung und
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3 einen
zweiten Schnitt der Ultraschallwandlereinrichtung des Ultraschalldurchflußmeßgeräts gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Im
folgenden wird für
ein Ultraschalldurchflußmeßgerät gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung der vorliegend relevante Teil, nämlich die gesamte Ultraschallwandlereinrichtung
einschließlich
Anschlußelement
und Gehäuse beschrieben.
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Alle
Bestandteile dieser Ultraschallwandlereinheit sind aus der Explosionsdarstellung
in 3 ersichtlich: Die Ultraschallwandlereinheit weist
ein Anschlußelement 1 in
Form eines Kunststoffkeils auf, über
den der eigentliche Anschluß der
Ultraschallwandlereinheit an die nicht weiter dargestellte Leitung
erfolgt, durch die das Medium strömt, dessen Durchfluß gemessen
werden soll. Das Anschlußelement 1 weist
Positionierungseinrichtungen 2 in Form von hervorstehenden
Wandabschnitten auf, die als Positionierungshilfe für eine metallische
Zwischenplatte 3 und ein Piezo-Element 4 dienen.
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Die
Zwischenplatte 3 weist in ihrem Innenbereich eine Öffnung auf,
so daß bei
auf dem Anschlußelement 1 aufliegender
Zwischenplatte 3 sich ein Raum ergibt, der mit einer Klebemittelschicht 5 gefüllt werden
kann, wie z. B. aus den 2 und 3 ersichtlich.
Bei der Klebemittelschicht 5 kann es sich z. B. um einen
ein- oder zweikomponentigen elektrisch leitfähigen Epoxidkleber handeln.
Wie insbesondere auch aus den 2 und 3 ersichtlich,
ist die Zwischenplatte 3 derart ausgebildet, daß das Piezo-Element 4 nicht
nur auf der Klebemittelschicht 5 aufliegt, sondern auch
auf Teilen der Zwischenplatte 3.
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Bei
dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist nun zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen eine
elektromagnetische Abschirmeinrichtung 6 vorgesehen, die
sich zusammensetzt aus der Zwischenplatte 3 und einem Gehäuse 7 aus
Metall. Das Gehäuse 7 liegt
auf der Zwischenplatte 3 auf, so daß sich ein geschlossener, abge schirmter
Raum ergibt, innerhalb dessen der Ultraschallwandler 8 einschließlich des
Piezo-Elements 4 sowie weitere elektronische Einrichtungen 9 vorgesehen
sind.
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Für den elektrischen
Anschluß des
Piezo-Elements 4 ist nun folgendes vorgesehen: Der elektrische
Anschluß der
Ultraschallwandlereinheit erfolgt über ein Koaxialkabel 10 dessen
Abschirmung mit der elektromagnetischen Abschirmeinrichtung 6, nämlich dem
Gehäuse 7 verbunden
ist, und dessen Seele auf eine Anschlußfeder 11 geführt ist,
die auf der der Zwischenplatte 3 gegenüberliegenden Seite des Piezo-Elements 4 vorgesehen
ist. Dadurch, daß das
Piezo-Element 4 auf
der Zwischenplatte 3 in galvanisch leitender Weise aufliegt
und die Abschirmung des Koaxialkabels 10 mit dem auf der
Zwischenplatte 3 aufliegendem Gehäuse 7 verbunden ist,
erfolgt eine Erdung des Piezo-Elements auf der der Anschlußfeder 11 gegenüberliegenden
Seite.
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Geschützt werden
die gesamten Bauteile schließlich
durch ein Plastikgehäuse 12,
das auf das Anschlußelement 1 aufgeschraubt
wird. Insgesamt wird damit erreicht, daß das von dem Ultraschallwandler 8 ausgegebene
Meßsignal
quasi frei von äußeren Störungen ausgegeben
werden kann.
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Wesentlich
ist dabei auch, daß die
Dicke der Klebemittelschicht 5 der Dicke der Zwischenplatte 3 entspricht.
Dabei ist die Meßwandlereinrichtung
zum Betrieb mit einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz vorgesehen,
so daß die
Dicke der Zwischenplatte 3 derart gewählt werden kann, daß sie einem
Viertel der Ultraschallwellenlänge
in der Klebemittelschicht 5 bei der vorbestimmten Ultraschallfrequenz
entspricht. Damit wird der Vorteil einer optimalen Anpassung des Übergangs
der Ultraschallsignale von dem Piezo-Element 4 auf das
Anschlußelement 11 erzielt.