DE102007030071B3

DE102007030071B3 - Ultrasonic measuring device

Info

Publication number: DE102007030071B3
Application number: DE200710030071
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Bierl; Martin Lesser; Andreas Meyer; Frank Dr. Steuber
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2027-06-30
Also published as: WO2009003764A1

Abstract

Ultraschall-Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit (v) eines Fluids (21) in einer Hauptströmungsrichtung (S), mit einem Messrohr (26) mit einer Mittelachse (M) in der Hauptströmungsrichtung (S), in dem das Fluid (21) strömt, mindestens zwei Ultraschallwandlern (12, 14), die ausgebildet und angeordnet sind zum Aussenden und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem von 90° abweichenden Winkel (ALPHA) zur Hauptströmungsrichtung (S), und einem Reflexionselement (16), das ausgebildet ist zur Reflektion von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallwandler (12, 14) und das Reflexionselement (16) so angeordnet und ausgebildet sind, dass von einem der Ultraschallwandler (12, 14) aussendbare Ultraschallwellen an dem Reflexionselement (16) reflektierbar sind und die an dem Reflexionselement (16) reflektierbaren Ultraschallwellen an dem anderen der Ultraschallwandler (12, 14) empfangbar sind. Die Ultraschallwandler (12, 14) sind derart angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (S) miteinander einen auf die Mittelachse (M) des Messrohrs (26) bezogenen Winkel (BETA) von größer 0° Grad einschließen.An ultrasonic measuring device (10) for determining a flow velocity (v) of a fluid (21) in a main flow direction (S), comprising a measuring tube (26) having a central axis (M) in the main flow direction (S), in which the fluid (21 ) flows, at least two ultrasonic transducers (12, 14), which are designed and arranged for emitting and / or receiving ultrasonic waves at a deviating angle of 90 ° (ALPHA) to the main flow direction (S), and a reflection element (16) is formed for the reflection of ultrasonic waves, wherein the ultrasonic transducers (12, 14) and the reflection element (16) are arranged and formed so that from one of the ultrasonic transducers (12, 14) emissive ultrasonic waves on the reflection element (16) are reflective and the the reflection element (16) reflectable ultrasonic waves at the other of the ultrasonic transducers (12, 14) are receivable. The ultrasound transducers (12, 14) are arranged in such a way that, relative to their projection onto a cross section perpendicular to the main flow direction (S), they include an angle (BETA) of greater than 0 ° relative to the central axis (M) of the measuring tube (26) ,

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids.The The invention relates to an ultrasonic measuring device for determination a flow velocity a fluid.

An Brennkraftmaschinen werden zunehmend hohe Anforderungen bezüglich deren Leistung und Wirkungsgrad gestellt. Gleichzeitig müssen aufgrund strenger gesetzlicher Vorschriften auch die Emissionen gering gehalten werden. Derartige Anforderungen können gut erfüllt werden, wenn die Volumenströme in einer Brennkraftmaschine genau bestimmt werden können. Zur Bestimmung der Volumenströme in einer Frischluftleitung, einer Abgasleitung und einer Abgasrückführleitung von Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise Ultraschall-Messvorrichtungen zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, hier also eines Gases, eingesetzt.At Internal combustion engines are becoming increasingly demanding in terms of their Power and efficiency provided. At the same time, due stricter legal regulations also kept emissions low become. Such requirements can be met well, if the volume flows can be accurately determined in an internal combustion engine. to Determination of volume flows in a fresh air line, an exhaust pipe and an exhaust gas recirculation line of internal combustion engines are preferably ultrasonic measuring devices for determining a flow velocity a fluid, in this case a gas used.

Die DE 10 2004 060 065 A1 offenbart einen Ultraschall-Durchflussmesser zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Fluids. Der Ultraschall-Durchflussmesser weist mindestens zwei Ultraschallwandler auf, wobei die Ultraschallwandler unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Hauptströmungsrichtung Ultraschallwellen emittieren und/oder empfangen können. Weiterhin weist der Ultraschall-Durchflussmesser mindestens ein ganz oder teilweise in dem Fluid angeordnetes Leitelement auf. Dieses Leitelement lenkt zumindest einen Teil des strömenden Fluids derart um, dass beim Umlenken zumindest einem Teil des strömenden Fluids eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptströmungsrichtung übertragen wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschall-Messvorrichtung zu schaffen, die eine genaue Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ermöglicht.The DE 10 2004 060 065 A1 discloses an ultrasonic flowmeter for measuring a flow velocity of a fluid flowing in a main flow direction. The ultrasonic flowmeter has at least two ultrasonic transducers, wherein the ultrasonic transducers can emit and / or receive ultrasonic waves at an angle other than 90 ° to the main flow direction. Furthermore, the ultrasonic flowmeter has at least one wholly or partly arranged in the fluid guide element. This guide element deflects at least a part of the flowing fluid in such a way that, when deflecting at least part of the flowing fluid, a velocity component is transmitted perpendicular to the main flow direction. The object of the invention is to provide an ultrasonic measuring device which allows an accurate determination of the flow velocity of a fluid.

Die WO 2005/098374 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung eines Massendurchsatzes flüssiger und/oder gasförmiger Medien mittels Ultraschall und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren betrifft das Gebiet der Messtechnik und dient der Verbesserung der Genauigkeit der Messung des Durchsatzes flüssiger und/oder gasförmiger Medien. Das Verfahren zur Ultraschallmessung des Durchsatzes flüssiger und/oder gasförmiger Medien umfasst das Aussenden und Empfangen von Ultraschallstrahlung stromabwärts oder stromaufwärts relativ zu dem Bereich des Mediums, in dem gemessen werden soll. Dazu werden Ultraschallwandler verwendet, von denen jeder ein Richtdiagramm mit einem Strahlungswinkel von nicht weniger als 60° in verschiedenen Querschnittsebenen hat und in einem Messabschnitt des Rohrs angeordnet ist, derart, dass die Achse des Richtdiagramms im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Rohrs ist.The WO 2005/098374 A1 discloses a method for measuring a mass flow rate of liquid and / or gaseous media by means of ultrasound and an apparatus for carrying out the method. The method relates to the field of measurement technology and serves to improve the accuracy of the measurement of the flow rate of liquid and / or gaseous media. The method for ultrasonic measurement of the flow rate of liquid and / or gaseous media comprises emitting and receiving ultrasonic radiation downstream or upstream relative to the region of the medium in which the measurement is to take place. For this purpose, ultrasonic transducers are used, each having a directional pattern with a beam angle of not less than 60 ° in different cross-sectional planes and arranged in a measuring section of the tube such that the axis of the radiation pattern is substantially perpendicular to the longitudinal axis of the tube.

Die EP 0 477 418 A1 offenbart eine Ultraschall-Durchflussmesser-Einbaueinheit zum Einbauen in ein Messrohr, mit zwei Ultraschallwandlern, die abwechselnd als Sendewandler oder Empfangswandler arbeiten, und einer Reflektoranordnung zur Bildung eines das Messrohr durchlaufenden Reflektionswegs für Ultraschallwellen zwischen dem jeweiligen Ultraschall-Sendewandler und dem jeweiligen Ultraschall-Empfangswandler. Die Ultraschallwandler sind in einem vorbestimmten Winkel zueinander und zu der Reflektoranordnung vorzugsweise symmetrisch geneigt angeordnet.The EP 0 477 418 A1 discloses an ultrasonic flowmeter mounting unit for incorporation into a measuring tube, with two ultrasonic transducers operating alternately as transmitting transducers or receiving transducers, and a reflector assembly for forming a ultrasonic wave reflecting path through the measuring tube between the respective ultrasonic transmitting transducer and the respective ultrasonic receiving transducer. The ultrasonic transducers are arranged at a predetermined angle to one another and to the reflector arrangement, preferably symmetrically inclined.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The Task is solved by the characteristics of the independent Claim. Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims characterized.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Hauptströmungsrichtung, mit einem Messrohr mit einer Mittelachse in der Hauptströmungsrichtung, in dem das Fluid strömt, mindestens zwei Ultraschallwandlern, die ausgebildet und angeordnet sind zum Aussenden und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Hauptströmungsrichtung, und einem Reflexionselement, das ausgebildet ist zur Reflektion von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallwandler und das Reflexionselement so angeordnet und ausgebildet sind, dass von einem der Ultraschallwandler aussendbare Ultraschallwellen an dem Reflexionselement reflektierbar sind und die an dem Reflexionselement reflektierbaren Ultraschallwellen an dem anderen der Ultraschallwandler empfangbar sind, wobei die Ultraschallwandler derart angeordnet sind, dass sie bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung miteinander einen auf die Mittelachse des Messrohrs bezogenen Winkel von größer null Grad einschließen. Die Ultraschall-Messvorrichtung hat einen ersten Ultraschallpfad für die von dem einen Ultraschallwandler zu dem Reflexionselement aussendbaren Ultraschallwellen, und einen zweiten Ultraschallpfad für die von dem Reflexionselement an den weiteren Ultraschallwandler reflektierbaren Ultraschallwellen, Zwischen dem ersten Ultraschallpfad und dem zweiten Ultraschallpfad ist ein Strömungsleitelement angeordnet, das derart ausgebildet ist, dass eine Beeinflussung der Messung an dem weiteren Ultraschallwandler, der stromabwärts angeordnet ist, durch Störungen der Strömung an dem einen Ultraschallwandler, der stromaufwärts angeordnet ist, über eine Strömung quer zu der Hauptströmungsrichtung vermeidbar ist.The Invention is characterized by an ultrasonic measuring device for Determination of a flow velocity a fluid in a main flow direction, with a measuring tube having a central axis in the main flow direction, in which the fluid flows, at least two ultrasonic transducers that are formed and arranged are for transmitting and / or receiving ultrasonic waves below one deviating from 90 ° Angle to the main flow direction, and a reflection element, which is designed for reflection of ultrasonic waves, the ultrasonic transducer and the reflection element are arranged and configured such that of one of the ultrasonic transducers emissive ultrasonic waves reflected on the reflection element are and the reflectors on the reflective ultrasonic waves at the other of the ultrasonic transducers are receivable, wherein the Ultrasonic transducers are arranged such that they relate to their projection onto a cross section perpendicular to the main flow direction together with an angle relative to the central axis of the measuring tube from greater than zero Include degrees. The ultrasonic measuring device has a first ultrasonic path for the from the ultrasound waves that can be emitted to the reflection element by an ultrasound transducer, and a second ultrasonic path for that of the reflection element at the other ultrasonic transducer reflective ultrasonic waves, intermediate the first ultrasonic path and the second ultrasonic path is a flow guide arranged, which is designed such that an influence the measurement on the further ultrasonic transducer, which is arranged downstream is, by disturbances the flow on the one ultrasonic transducer, which is arranged upstream, via a flow transverse to the main flow direction is avoidable.

Dies hat den Vorteil, dass so vermieden werden kann, dass Störungen der Strömung durch Strömungsablösungen an dem stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler zur Beeinflussung der Messung an dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler führen. Damit kann eine hohe Messgenauigkeit der Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erreicht werden. Außerdem können die Ultraschallwellen bezüglich der Hauptströmungsrichtung einen größeren Bereich des Strömungsquerschnitts durchlaufen, wodurch ein gutes Messergebnis aufgrund einer Mittelung der Strömungsgeschwindigkeit über den Strömungsquerschnitt erreicht werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Fall unsymmetrischer Strömungsprofile wie sie an Filtern oder Rohrkrümmern bestehen.This has the advantage that so avoided who may cause disturbances of the flow by flow separations on the upstream ultrasonic transducer to influence the measurement on the downstream ultrasonic transducer. Thus, a high measurement accuracy of the ultrasonic measuring device for determining the flow velocity of the fluid can be achieved. In addition, the ultrasonic waves with respect to the main flow direction can pass through a larger area of the flow cross section, whereby a good measurement result can be achieved due to an averaging of the flow velocity over the flow cross section. This is particularly advantageous for the case of asymmetrical flow profiles as they exist on filters or elbows.

In einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich das Strömungsleitelement in der Hauptströmungsrichtung mindestens von dem einen Ultraschallwandler bis zu dem weiteren Ultraschallwandler. Das hat den Vorteil, dass in den Bereichen, in denen die Ultraschallwandler angeordnet sind, Strömungen quer zur Hauptströmungsrichtung vermieden werden können.In an advantageous embodiment the flow guide extends in the main flow direction at least from one ultrasonic transducer to the other Ultrasonic transducers. This has the advantage that in the areas in which the ultrasonic transducers are arranged, flows transversely to the main flow direction can be avoided.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat das Strömungsleitelement stromaufwärts des einen Ultraschallwandlers eine erste Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und stromabwärts des einen Ultraschallwandlers eine zweite Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, und stromaufwärts des weiteren Ultraschallwandlers eine weitere erste Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und stromabwärts des weiteren Ultraschallwandlers eine dazu korrespondierende weitere zweite Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, und die ersten Querschnittsflächen des Strömungsleitelements sind kleiner als die jeweils dazu korrespondierenden zweiten Querschnitts flächen des Strömungsleitelements. Dies hat den Vorteil, dass eine Stabilisierung der Strömung des Fluids im Bereich der Ultraschallwandler und damit eine hohe Messgenauigkeit der Ultraschall-Messvorrichtung möglich sind.In a further advantageous embodiment, the flow guide upstream of the an ultrasonic transducer a first cross-sectional area perpendicular to the main flow direction and downstream of an ultrasonic transducer, a second cross-sectional area perpendicular to the mainstream direction, and upstream the further ultrasonic transducer another first cross-sectional area perpendicular to the main flow direction and downstream the other ultrasonic transducer a corresponding thereto further second cross-sectional area perpendicular to the main flow direction, and the first cross-sectional areas of the flow guide are smaller than the respective corresponding second cross-sectional areas of the Flow guide. This has the advantage of stabilizing the flow of the Fluids in the field of ultrasonic transducers and thus a high measurement accuracy the ultrasonic measuring device are possible.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat das Strömungsleitelement einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung mit einer Querschnittsfläche, und die Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung nimmt monoton zu über die gesamte axiale Erstreckung des Strömungsleitelements zwischen dem einen Ultraschallwandler und dem weiteren Ultraschallwandler oder nimmt zu über die gesamte axiale Erstreckung des Strömungsleitelements zwischen dem einen Ultraschallwandler und dem weiteren Ultraschallwandler mit mindestens einem Abschnitt, in dem die Querschnittsfläche konstant ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Stabilisierung der Strömung des Fluids im gesamten Bereich zwischen den Ultraschallwandlern und damit eine hohe Messgenauigkeit möglich ist.In a further advantageous embodiment, the flow guide a cross section perpendicular to the main flow direction with a cross-sectional area, and the cross-sectional area perpendicular to the main flow direction takes on monotonous over the entire axial extent of the flow guide between one ultrasonic transducer and the other ultrasonic transducer or overcomes the entire axial extent of the flow guide between the one ultrasonic transducer and the other ultrasonic transducer with at least one section in which the cross-sectional area is constant is. This has the advantage of stabilizing the flow of the Fluids in the entire area between the ultrasonic transducers and so that a high measuring accuracy is possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are explained below with reference to schematic drawings. It demonstrate:

1 einen Längsschnitt durch eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, 1 a longitudinal section through an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid,

2 einen Querschnitt der Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids entlang der Linie II-II' der 1, und 2 a cross section of the ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid along the line II-II 'of 1 , and

3 einen weiteren Längsschnitt durch eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids entlang der Linie III-III' der 1. 3 a further longitudinal section through an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid along the line III-III 'of 1 ,

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.elements same construction or function are cross-figurative with the same Reference number marked.

Die Figuren zeigen eine Ultraschall-Messvorrichtung 10 mit einem Ultraschallwandler 12 und einem weiteren Ultraschallwandler 14. Die Ultraschallwandler 12, 14 sind an einem Messrohr 26 angeordnet, das eine Mittelachse M hat. Das Messrohr 26 wird von einem Fluid 21, das entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann, in einer Hauptströmungsrichtung S mit einer Strömungsgeschwindigkeit v durchströmt. Die Strömung des Fluids 21 weist im Wesentlichen nur Turbulenzen im mikroskopischen Bereich auf. In dem Messrohr 26 ist weiter ein Reflexionselement 16 angeordnet, das mittels einer Halterung 18 an dem Messrohr 26 befestigt ist.The figures show an ultrasonic measuring device 10 with an ultrasonic transducer 12 and another ultrasonic transducer 14 , The ultrasonic transducers 12 . 14 are on a measuring tube 26 arranged, which has a central axis M. The measuring tube 26 is from a fluid 21 , which may be either a liquid or a gas, flows in a main flow direction S at a flow velocity v. The flow of the fluid 21 has essentially only turbulences in the microscopic range. In the measuring tube 26 is further a reflection element 16 arranged, by means of a holder 18 on the measuring tube 26 is attached.

Der eine Ultraschallwandler 12 emittiert Ultraschallwellen, die von dem weiteren Ultraschallwandler 14 empfangen werden können. Die Ultraschallwellen breiten sich dabei unter einem von 90° abweichenden Winkel ALPHA zur Hauptströmungsrichtung S über einen Ultraschallpfad 20a aus und werden an dem Reflexionselement 16 derart reflektiert, dass sie über einen Ultraschallpfad 20b zu dem weiteren Ultraschallwandler 14 gelangen, von dem sie aufgenommen werden.The one ultrasonic transducer 12 emits ultrasonic waves from the other ultrasonic transducer 14 can be received. The ultrasonic waves propagate at an angle ALPHA deviating from 90 ° to the main flow direction S via an ultrasonic path 20a off and on the reflection element 16 reflected so that they have an ultrasonic path 20b to the other ultrasonic transducer 14 from where they are taken.

Entsprechend emittiert der weitere Ultraschallwandler 14 Ultraschallwellen, die von dem einen Ultraschallwandler 12 empfangen werden können. Die Ultraschallwellen breiten sich dabei unter einem von 90° abweichenden Winkel ALPHA zur Hauptströmungsrichtung S über den Ultraschallpfad 20b aus und werden an dem Reflexionselement 16 derart reflektiert, dass sie über den Ultraschallpfad 20a zu dem einen Ultraschallwandler 12 gelangen, von dem sie aufgenommen werden.Accordingly, the further ultrasonic transducer emits 14 Ultrasonic waves coming from the one ultrasonic transducer 12 can be received. The ultrasonic waves propagate at an angle ALPHA deviating from 90 ° to the main flow direction S via the ultrasonic path 20b off and on the reflection element 16 reflected so that they pass over the ultrasound path 20a to the one ultrasonic transducer 12 reach, from which they are taken.

Die Ultraschallwandler 12, 14 sind bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S so angeordnet, dass sie miteinander einen auf die Mittelachse M des Messrohrs 26 bezogenen Winkel BETA von größer 0° einschließen, wie dies besonders gut in der 2 zu sehen ist.The ultrasonic transducers 12 . 14 are arranged with respect to their projection on a cross section perpendicular to the main flow direction S so that they together with one on the central axis M of the measuring tube 26 included angle BETA greater than 0 °, as particularly well in the 2 you can see.

Zwischen dem ersten Ultraschallpfad 20a und dem zweiten Ultraschallpfad 20b ist ein Strömungsleitelement 30 angeordnet, das einen Querschnitt A senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S hat, der entlang der Hauptströmungsrichtung S variabel ist.Between the first ultrasonic path 20a and the second ultrasonic path 20b is a flow guide 30 arranged, which has a cross-section A perpendicular to the main flow direction S, which is variable along the main flow direction S.

Die Strömung des Fluids 21 soll im Folgenden anhand von zwei Strömungswegen 22, 24 in der Hauptströmungsrichtung S des Fluids 21 dargestellt werden. Ein erster Strömungsweg 22 in der Hauptströmungsrichtung S des Fluids 21 ist so ausgebildet, dass in diesem die Ultraschallwellen aus dem einen Ultraschallwandler 12 in das Fluid 21 eintreten. Ein zweiter Strömungsweg 24 in der Hauptströmungsrichtung S des Fluids 21 ist so ausgebildet, dass in diesem die Ultraschallwellen aus dem weiteren Ultraschallwandler 14 in das Fluid 21 eintreten. Zwischen dem ersten Strömungsweg 22 und dem zweiten Strömungsweg 24 ist das Strömungsleitelement 30 angeordnet. Durch die Anordnung des Strömungsleitelements 30 zwischen dem ersten Strömungsweg 22 und dem zweiten Strömungsweg 24 kann vermieden werden, dass Störungen der Strömung durch Strömungsablösungen an dem stromaufwärts angeordneten einen Ultraschallwandler 12 über eine Strömung quer zur Hauptströmungsrichtung S zur Beeinflussung der Messung an dem stromabwärts angeordneten weiteren Ultraschallwandler 14 führen.The flow of the fluid 21 will be described below by means of two flow paths 22 . 24 in the main flow direction S of the fluid 21 being represented. A first flow path 22 in the main flow direction S of the fluid 21 is formed so that in this the ultrasonic waves from the one ultrasonic transducer 12 into the fluid 21 enter. A second flow path 24 in the main flow direction S of the fluid 21 is formed so that in this the ultrasonic waves from the further ultrasonic transducer 14 into the fluid 21 enter. Between the first flow path 22 and the second flow path 24 is the flow guide 30 arranged. By the arrangement of the flow guide 30 between the first flow path 22 and the second flow path 24 can be avoided that disturbances of flow through flow separations at the upstream arranged an ultrasonic transducer 12 via a flow transverse to the main flow direction S for influencing the measurement at the downstream arranged further ultrasonic transducer 14 to lead.

Das Strömungsleitelement 30 hat einen ersten Abschnitt 32 nahe dem einen Ultraschallwandler 12, der von einem Querschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche A1 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S stromaufwärts des einen Ultraschallwandlers 12 bis zu einer zweiten Querschnittsfläche A2 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S stromabwärts des einen Ultraschallwandlers 12 reicht. Die zweite Querschnittsfläche A2 korrespondiert zu der ersten Querschnittsfläche A1.The flow guide 30 has a first section 32 near the one ultrasonic transducer 12 which is of a cross-section with a first cross-sectional area A1 perpendicular to the main flow direction S upstream of the one ultrasonic transducer 12 up to a second cross-sectional area A2 perpendicular to the main flow direction S downstream of the one ultrasonic transducer 12 enough. The second cross-sectional area A2 corresponds to the first cross-sectional area A1.

Das Strömungsleitelement 30 hat weiter einen zweiten Abschnitt 34, der von der zweiten Querschnittsfläche A2 stromabwärts des einen Ultraschallwandlers 12 bis zu einer weiteren ersten Querschnittsfläche A3 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S stromaufwärts des weiteren Ultraschallwandlers 14 reicht.The flow guide 30 has a second section 34 that of the second cross-sectional area A2 downstream of the one ultrasonic transducer 12 up to a further first cross-sectional area A3 perpendicular to the main flow direction S upstream of the further ultrasonic transducer 14 enough.

Ein dritter Abschnitt 36 des Strömungsleitelements 30 nahe dem weiteren Ultraschallwandler 14 reicht von der weiteren ersten Querschnittsfläche A3 stromaufwärts des weiteren Ultraschallwandlers 14 bis zu einer weiteren zweiten Querschnittsfläche A4 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S stromabwärts des weiteren Ultraschallwandlers 14. Die weitere zweite Querschnittsfläche A4 korrespondiert zu der weiteren ersten Querschnittsfläche A3.A third section 36 the flow guide 30 near the other ultrasonic transducer 14 extends from the further first cross-sectional area A3 upstream of the further ultrasonic transducer 14 up to a further second cross-sectional area A4 perpendicular to the main flow direction S downstream of the further ultrasonic transducer 14 , The further second cross-sectional area A4 corresponds to the further first cross-sectional area A3.

Der Querschnitt A des Strömungsleitelements 30 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S nimmt über die gesamte axiale Erstreckung des Strömungsleitelements 30 zwischen dem einem Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 zu, wobei der zweite Abschnitt 34 zwischen der zweiten Querschnittsfläche A2 und der weiteren ersten Querschnittsfläche A3 mit einem konstanten Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsformen nimmt der Querschnitt A des Strömungsleitelements 30 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S über die gesamte axiale Erstreckung des Strömungsleitelements 30 zwischen dem einem Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 monoton zu, ohne dass ein Abschnitt mit einem konstanten Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S ausgebildet ist. Das Strömungsleitelement 30 kann so eine einfache Form haben und dabei die im weiter unten beschriebene Funktion der Strömungsleitung gut ausüben.The cross section A of the flow guide 30 perpendicular to the main flow direction S takes over the entire axial extent of the flow guide 30 between the one ultrasonic transducer 12 and the other ultrasonic transducer 14 to, the second section 34 is formed between the second cross-sectional area A2 and the further first cross-sectional area A3 with a constant cross-section perpendicular to the main flow direction S. In further embodiments, the cross-section A of the flow-guiding element increases 30 perpendicular to the main flow direction S over the entire axial extent of the flow guide 30 between the one ultrasonic transducer 12 and the other ultrasonic transducer 14 monotonically without forming a portion having a constant cross section perpendicular to the main flow direction S. The flow guide 30 can thus have a simple shape while doing well in the function of the flow line described below.

Die Anordnung der Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S miteinander unter dem Winkel BETA von größer als null Grad bezogen auf die Mittelachse M des Messrohrs 26 bedeutet, dass eine Gerade 28, auf der die Ultraschallwandler 12, 14 angeordnet sind, in eine Richtung U ausgerichtet ist, die von der Hauptströmungsrichtung S abweicht.The arrangement of the ultrasonic transducers 12 . 14 with respect to their projection onto a cross-section perpendicular to the main flow direction S with each other at the angle BETA of greater than zero degrees with respect to the central axis M of the measuring tube 26 means a straight line 28 on which the ultrasonic transducers 12 . 14 are aligned in a direction U, which deviates from the main flow direction S.

Im Folgenden soll die Funktionsweise der Ultraschall-Messvorrichtung 10 im Detail dargestellt werden:
Ultraschallwellen werden von dem einem Ultraschallwandler 12 ausgesandt und erreichen über den Ultraschallpfad 20a das Reflexionselement 16 unter einem Winkel ALPHA zwischen der Hauptströmungsrichtung S und der Emissionsrichtung des Ultraschallwandlers 12. Die Ultraschallwellen werden an dem Reflexionselement 16 reflektiert und erreichen den weiteren Ultraschallwandler 14 auf dem Ultraschallpfad 20b. Analog werden Ultraschallwellen von dem weiteren Ultraschallwandler 14 ausgesandt und erreichen über den Ultraschallpfad 20b das Reflexionselement 16 unter einem Winkel ALPHA zwischen der Hauptströmungsrichtung S und der Emissionsrichtung des weiteren Ultraschallwandlers 14. Die Ultraschallwellen werden an dem Reflexionselement 16 reflektiert und erreichen den einen Ultraschallwandler 12 auf dem Ultraschallpfad 20a.The following is the operation of the ultrasonic measuring device 10 be shown in detail:
Ultrasonic waves are from an ultrasonic transducer 12 emitted and reach over the ultrasonic path 20a the reflection element 16 at an angle ALPHA between the main flow direction S and the emission direction of the ultrasonic transducer 12 , The ultrasonic waves are applied to the reflection element 16 reflected and reach the other ultrasonic transducer 14 on the ultrasonic path 20b , Analog ultrasonic waves from the other ultrasonic transducer 14 emitted and reach over the ultrasonic path 20b the reflection element 16 at an angle ALPHA between the main flow direction S and the emission direction of the other ultrasonic transducer 14 , The ultrasonic waves are applied to the reflection element 16 reflected and reach the one ultrasound converter 12 on the ultrasonic path 20a ,

Durch die Anordnung der Ultraschallwandler 12, 14 und des Reflexionselements 16, bei der die Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstrahlungsrichtung S miteinander einen auf die Mittelachse M des Messrohrs bezogenen Winkel BETA von größer null Grad einschließen, wird erreicht, dass eine große Querschnittsfläche des Messrohrs von Ultraschallwellen passiert wird. Damit kann eine gute Mittelung der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 21 über große Bereiche des Querschnitts des Messrohrs 26 erreicht werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für unsymmetrische Strömungsprofile, wie beispielsweise in einem Luftfilter oder Rohrkrümmer. Mit weiteren hier nicht dargestellten Messgrößen wie der Temperatur und dem Druck des Fluids 21 in dem Messrohr 26 kann der Massenstrom des Fluids 21 in dem Messrohr 26 bestimmt werden.By the arrangement of the ultrasonic transducers 12 . 14 and the reflection element 16 in which the ultrasonic transducers 12 . 14 With reference to a cross-section perpendicular to the main radiation direction S with one another, an angle BETA of greater than zero, which is related to the center axis M of the measuring tube, is achieved in that a large cross-sectional area of the measuring tube is passed by ultrasonic waves. Thus, a good averaging of the flow velocity v of the fluid 21 over large areas of the cross section of the measuring tube 26 be achieved. This is particularly advantageous for asymmetrical flow profiles, such as in an air filter or pipe bend. With other parameters not shown here, such as the temperature and the pressure of the fluid 21 in the measuring tube 26 can the mass flow of the fluid 21 in the measuring tube 26 be determined.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur Hauptstrahlungsrichtung S miteinander den auf die Mittelachse M des Messrohrs bezogenen Winkel BETA von 50–90° einschließen.It is particularly advantageous if the ultrasonic transducers 12 . 14 with respect to the cross section perpendicular to the main radiation direction S with each other the angle BETA of 50-90 °, which is related to the center axis M of the measuring tube.

Durch die Ausbildung des Strömungsleitelements 30 zwischen dem ersten Ultraschallpfad 20a und dem zweiten Ultraschallpfad 20b mit der Zunahme des Querschnitts A des Strömungsleitelements 30 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S über die gesamte axiale Erstreckung des Strömungsleitelements 30 zwischen dem einen Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 wird erreicht, dass insbesondere im Bereich der Ultraschallwandler 12, 14 das Fluid so beschleunigt wird, dass eine hohe Stabilität der Strömung in Hauptströmungsrichtung S erreicht werden kann. Damit können insbesondere in den Bereichen der Ultraschallwandler 12, 14 makroskopische Strömungsablösungen reduziert oder verhindert reduziert werden, wodurch eine sehr hohe Messgenauigkeit der Ultraschall-Messvorrichtung 10 mit den Ultraschallwandlern 12, 14 erreicht werden kann.By the formation of the flow guide 30 between the first ultrasonic path 20a and the second ultrasonic path 20b with the increase of the cross section A of the flow guide 30 perpendicular to the main flow direction S over the entire axial extent of the flow guide 30 between the one ultrasonic transducer 12 and the other ultrasonic transducer 14 is achieved that in particular in the field of ultrasonic transducers 12 . 14 the fluid is accelerated so that a high stability of the flow in the main flow direction S can be achieved. This can be particularly in the areas of ultrasonic transducers 12 . 14 reduced or prevented macroscopic flow separations are reduced, resulting in a very high measurement accuracy of the ultrasonic measuring device 10 with the ultrasonic transducers 12 . 14 can be achieved.

1010: Ultraschall-MessvorrichtungUltrasonic measuring device
1212: Ultraschallwandlerultrasound transducer
1414: weiterer UltraschallwandlerAnother ultrasound transducer
1616: Reflexionselementreflection element
1818: Halterung des Reflexionselementsbracket of the reflection element
20a, b20a, b: Ultraschallpfadeultrasonic paths
2121: Fluidfluid
2222: erster Strömungswegfirst flow
2424: zweiter Strömungswegsecond flow
2626: Messrohrmeasuring tube
2828: Gerade mit UltraschallwandlernJust with ultrasonic transducers
3030: Strömungsleitelementflow guide
3232: erster Abschnitt des Strömungsleitelementsfirst Section of the flow guide
3434: zweiter Abschnitt des Strömungsleitelementssecond Section of the flow guide
3636: dritter Abschnitt des Strömungsleitelementsthird Section of the flow guide
AA: Querschnitt des Strömungsleitelementscross-section the flow guide
A1A1: erste Querschnittsflächefirst Cross sectional area
A2A2: zweite Querschnittsflächesecond Cross sectional area
A3A3: weitere erste QuerschnittsflächeFurther first cross-sectional area
A4A4: weitere zweite QuerschnittsflächeFurther second cross-sectional area
MM: Mittelachse des Messrohrscentral axis of the measuring tube
SS: HauptströmungsrichtungMain flow direction
UU: Richtung der Geraden mit Ultraschallwandlerndirection the straight line with ultrasonic transducers
vv: Strömungsgeschwindigkeitflow rate
ALPHAALPHA: Winkel zwischen Hauptströmungsrichtung und Emissionsrichtung der Ultraschallwandlerangle between main flow direction and emission direction of the ultrasonic transducers
BETABETA: Winkel zwischen den Ultraschallwandlern bezogen auf die Mittelachse des Messrohrsangle between the ultrasonic transducers with respect to the central axis of the measuring tube

Claims

Ultrasonic measuring device ( 10 ) for determining a flow velocity (v) of a fluid ( 21 ) in a main flow direction (S), with - a measuring tube ( 26 ) with a central axis (M) in the main flow direction (S), in which the fluid ( 21 ) flows, - at least two ultrasonic transducers ( 12 . 14 ), which are designed and arranged for emitting and / or receiving ultrasonic waves at an angle deviating from 90 ° (ALPHA) to the main flow direction (S), - a reflection element ( 16 ) configured to reflect ultrasonic waves, the ultrasonic transducers ( 12 . 14 ) and the reflection element ( 16 ) are arranged and configured such that one of the ultrasonic transducers ( 12 . 14 ) emanating ultrasonic waves at the reflection element ( 16 ) are reflective and on the reflection element ( 16 ) reflectable ultrasonic waves on the other of the ultrasonic transducers ( 12 . 14 ) are receivable, and wherein the ultrasonic transducer ( 12 . 14 ) are arranged in such a way that, with respect to their projection onto a cross section perpendicular to the main flow direction (S), they are connected to one another on the central axis (M) of the measuring tube (FIG. 26 included angle (BETA) of greater than zero degrees, a first ultrasonic path (FIG. 20a ) for the one of the one ultrasonic transducer ( 12 ) to the reflection element ( 16 ) ultrasonic waves, - and a second ultrasonic path ( 20b ) for the of the reflection element ( 16 ) to the further ultrasonic transducer ( 14 ) ultrasonic waves, wherein between the first ultrasonic path ( 20a ) and the second ultrasonic path ( 20b ) a flow guide ( 30 ) is arranged, and the Strö guiding element ( 30 ) is designed such that influencing the measurement Mes on the further ultrasonic transducer ( 14 ), which is located downstream, by disturbances of the flow at the one ultrasonic transducer ( 12 ) located upstream, is avoidable via a flow transverse to the main flow direction (S).

Ultrasonic measuring device ( 10 ) according to claim 1, wherein the flow guiding element ( 30 ) in the main flow direction (S) at least from the one ultrasonic transducer ( 12 ) to the further ultrasonic transducer ( 14 ).

Ultrasonic measuring device ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the flow guiding element ( 30 ) upstream of an ultrasonic transducer ( 12 ) a first cross-sectional area (A1) perpendicular to the main flow direction (S) and downstream of the one ultrasonic transducer ( 12 ) has a second cross-sectional area (A2) perpendicular to the main flow direction (S), and upstream of the further ultrasonic transducer ( 14 ) a further first cross-sectional area (A3) perpendicular to the main flow direction (S) and downstream of the further ultrasonic transducer ( 14 ) has a corresponding further second cross-sectional area (A4) perpendicular to the main flow direction (S), and the first cross-sectional areas (A1, A3) of the flow guide ( 30 ) are smaller than the respective corresponding second cross-sectional areas (A2, A4) of the flow guide ( 30 ).

Ultrasonic measuring device ( 10 ) according to claim 2 or 3, wherein the flow guide ( 30 ) has a cross-section perpendicular to the main flow direction (S) with a cross-sectional area (A) and the cross-sectional area (A) monotonically increases over the entire axial extent of the flow guide ( 30 ) between the one ultrasonic transducer ( 12 ) and the further ultrasonic transducer ( 14 ) or monotonically increases over the entire axial extent of the flow guide ( 30 ) between the one ultrasonic transducer ( 12 ) and the further ultrasonic transducer ( 14 ) except at least a portion in which the cross-sectional area (A) is constant.