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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Strömungssensoren zur Erfassung der Strömung eines fluiden Mediums bekannt. Derartige Ultraschallströmungssensoren erfassen beispielsweise einen Massenstrom, einen Volumenstrom oder eine Geschwindigkeit des fluiden Mediums, beispielsweise in einem Strömungsrohr. Dabei werden üblicherweise zwei oder mehr Ultraschallwandler eingesetzt, welche längs zur Strömung des fluiden Mediums gegeneinander versetzt in der Strömung angeordnet sind und sich gegenseitig Ultraschallsignale zusenden können. Aus Laufzeitdifferenzen zwischen den Ultraschallsignalen mit einer Komponente in Strömungsrichtung und mit einer Komponente entgegen der Strömungsrichtung kann dann auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder andere, die Strömung charakterisierende Größen geschlossen werden.
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Ein Beispiel eines derartigen Ultraschallströmungssensors, welcher auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden kann, ist in
DE 39 41 544 A1 beschrieben. Diese Druckschrift offenbart einen Ultraschall-Durchflussmesser mit einer Mehrfachreflexion der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern. Dadurch entsteht ein W-förmiger Ultraschallweg im Messrohr, was den Vorteil eines längeren Schallwegs und einer wandbündigen Wandlermontage bietet.
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Nachteilig an diesen bekannten Reflexionsvorrichtungen ist jedoch, dass Reflexionsflächen, welche in der
DE 39 41 544 A1 mehrfach erforderlich sind, die Robustheit des Systems vermindern können. Insbesondere sind die Reflexionsflächen, welche bei dem beschriebenen Aufbau gleich dreifach benötigt werden, empfindlich gegenüber Erschütterungen, können die Strömungsverhältnisse beeinflussen, sind anfällig gegenüber Kontaminationen und den damit verbundenen Veränderungen der Reflektivität oder gegenüber thermischem Verzug.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Ultraschallströmungssensor vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Ultraschallströmungssensoren zumindest weitgehend vermeidet. Der Ultraschallströmungssensor basiert auf einem Reflexionsprinzip, stellt jedoch einen eindeutigen Ultraschall-Übertragungsweg bereit. Der Ultraschallströmungssensor ist zum Einsatz in einem fluiden Medium eingerichtet. Beispielsweise kann dieses fluide Medium durch ein Strömungsrohr fließen, dessen Bestandteil beispielsweise ein Messrohr sein kann, das in das Strömungsrohr eingebracht wird und/oder Bestandteil des Strömungsrohrs ist. Der Ultraschallströmungssensor lässt sich insbesondere im Kraftfahrzeugbereich einsetzen, beispielsweise in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, insbesondere in deren Frischlufttrakt, insbesondere nach einem Turbolader, insbesondere im Nutzkraftwagen-Bereich. Alternative Anwendungsgebiete sind beispielsweise Sensoren für Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise in der Verfahrenstechnik, z. B. bei Prozesssteuerungen, Anwendungen als Abstandssensoren, als Füllstandssensoren, als Strömungssensoren in der Chemie- und Pharmaindustrie, als Sensoren in der Medizintechnik, beispielsweise bei Atemgasüberwachungen, oder Anwendungen in der Energietechnik, beispielsweise als Wärmezähler in Kraftwerken oder im Haushalt.
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Der Ultraschallströmungssensor umfasst mindestens zwei längs zu einer Strömung des fluiden Mediums versetzt zueinander in einem Strömungsrohr des fluiden Mediums angeordnete Ultraschallwandler. Beispielsweise können die Ultraschallwandler ganz oder teilweise in die Wand eines Messrohrs des Strömungsrohrs eingelassen sein, also beispielsweise eines Abschnitts des Strömungsrohrs oder eines separat in das Strömungsrohr eingelassenen Messrohrs. Die Ultraschallwandler können auch in einem Gehäuseteil aufgenommen sein, welches als Steckfühler am eigentlichen Strömungsrohr oder Messrohr angesetzt oder in dieses eingesetzt ist. In diesem Fall kann eine Wandung des Gehäuseteils auch als Teil des Strömungsrohrs oder des Messrohrs verstanden werden. Unter einer längs zur Strömung versetzten Anordnung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher einer der Ultraschallwandler stromaufwärts des anderen angeordnet ist, wobei die Anordnung exakt in Strömungsrichtung erfolgen kann oder auch, wie unten noch ausgeführt wird, versetzt zueinander quer zur Strömungsrichtung.
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Unter einem Ultraschallwandler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Vorrichtung zu verstehen, welche in der Lage ist, elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann ein Ultraschallwandler mindestens einen Wandlerkern umfassen, in welchem mindestens ein elektrisch-akustisches Wandlerelement aufgenommen ist. Ein Beispiel eines derartigen elektrisch-akustischen Wandlerelements ist ein Piezoelement. Auch andere elektrischakustische Wandlerelemente sind jedoch einsetzbar. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen der Ultraschallwandler kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik oder auf andere bekannte Ultraschallwandler verwiesen werden.
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Der Ultraschallströmungssensor umfasst weiterhin eine Reflexionsfläche. Unter einer Reflexionsfläche ist eine Fläche zu verstehen, welche eingerichtet ist, um Ultraschallsignale ganz oder teilweise zu reflektieren. Beispielsweise kann diese Reflexionsfläche Teil des Strömungsrohrs sein, beispielsweise Teil des Messrohrs, oder auch separat in das Messrohr eingebracht werden, beispielsweise als Reflexionsfläche, welche innerhalb der Strömung des fluiden Mediums angeordnet ist. Die Reflexionsfläche kann auch an einem Gehäuseteil befestigt sein, welches auch die Ultraschallwandler aufnimmt und welches als Steckfühler am eigentlichen Strömungsrohr oder Messrohr angesetzt oder in dieses eingesetzt ist. Die Ultraschallwandler sind eingerichtet, um sich gegenseitig über einfache Reflexion an der Reflexionsfläche Ultraschallsignale zuzusenden. Dies bedeutet in anderen Worten, dass, im Gegensatz zu dem W-förmigen Verlauf der in der
DE 39 41 544 A1 dargestellten Anordnung, im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein V-förmiger Verlauf der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern als bevorzugter Ausbreitungspfad vorgesehen ist. Dabei können die Ultraschallwandler auch derartig eingebaut sein, dass diese gegenüber dem idealen V-förmigen Verlauf leicht verkippt sind, wodurch beispielsweise ein Vorhalt gegenüber Strahlverwehungen unter Strömung gegeben sein kann und/oder Mehrfachreflexionen zwischen den beiden Wandleroberflächen reduziert werden können.
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Weiterhin ist zwischen den Ultraschallwandlern eine Ablenkvorrichtung vorgesehen. Diese Ablenkvorrichtung kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, Bestandteil eines Messrohrs und/oder einer Messrohrwand sein, in welche die Ultraschallwandler eingesetzt sind. Auch andere Anordnungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Ablenkvorrichtung ist eingerichtet, um von der Reflexionsfläche reflektierte und auf die Ablenkvorrichtung auftreffende parasitäre Ultraschallsignale durch Ablenkung von den Ultraschallwandlern weg im Wesentlichen zu unterdrücken. In anderen Worten ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um beispielsweise W-förmige Signalverläufe oder andere Signalverläufe mit einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern zu unterdrücken. Unter einer Unterdrückung ”im Wesentlichen” ist dabei eine Unterdrückung zu verstehen, bei welcher die Schallenergie der parasitären Ultraschallsignale im Vergleich zu einer Anordnung ohne Ablenkvorrichtung, also beispielsweise im Vergleich zu einer glatten Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern, um mindestens 30%, vorzugsweise um mindestens 50% und besonders bevorzugt um mindestens 80% oder sogar um mindestens 90% unterdrückt wird.
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Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere zumindest in einem mittleren Drittel einer Verbindungsstrecke zwischen den Ultraschallwandlern angeordnet sein. Die Ablenkvorrichtung kann sich jedoch auch über die gesamte Strecke zwischen den Ultraschallwandlern erstrecken oder über einen anderen Teil dieser Strecke. Besonders bevorzugt ist die Ablenkvorrichtung im Wesentlichen symmetrisch zu den Ultraschallwandlern angeordnet, um insbesondere W-förmige Signalverläufe zu unterdrücken.
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Die Ablenkvorrichtung soll dabei vorzugsweise in einem makroskopischen Maßstab ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Ablenkvorrichtung vorzugsweise an ihrer größten Erhebung und/oder Vertiefung von der Messrohroberfläche um einen Betrag in das Messrohr hinein und/oder aus diesem heraus ragt, welcher größer ist als die Wellenlänge der Ultraschallsignale, beispielsweise also größer als 0,1 mm, insbesondere größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 1,0 mm besonders bevorzugt größer als 2,0 mm oder sogar größer als 4,0 mm. Alternativ oder zusätzlich kann die Ablenkvorrichtung jedoch auch eine oder mehrere Strukturen in einem Maßstab umfassen, welcher kleiner ist als der genannte makroskopische Maßstab. So kann die Ablenkvorrichtung, alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zu makroskopischen Strukturen, Rauigkeiten umfassen.
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So kann grundsätzlich zwischen zwei Größenskalen unterschieden werden, nämlich zwischen Strukturen der Ablenkvorrichtung auf einer Größenskala im makroskopischen Bereich gemäß der obigen Definition, welche im Folgenden auch als Grobstrukturen bezeichnet werden, und Strukturen, welche auf der oben beschriebenen Skala im mikroskopischen Bereich liegen, also beispielsweise bei Erhebungen unterhalb von 1,0 mm, insbesondere auf einer Größenskala von Oberflächenrauigkeiten. Derartige Strukturen werden im Folgenden auch als Feinstrukturen bezeichnet.
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Vorzugsweise weist die Ablenkvorrichtung also Grobstrukturen auf. Diese können sich beispielsweise auf eine Größenskala bis hinunter zur Ultraschallwellenlänge im fluiden Medium beziehen. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s in Luft bei Raumtemperatur und einer Frequenz von 340 kHz ergibt dies beispielsweise eine Ultraschallwellenlänge von 1 mm.
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Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Ablenkfläche umfassen, vorzugsweise mindestens zwei oder mehr Ablenkflächen. Unter einer Ablenkflächen ist dabei eine Fläche zu verstehen, welche zumindest teilweise reflektierende und/oder absorbierenden Eigenschaften für Ultraschallsignale aufweist und eingerichtet ist, um entsprechend der Funktion der Ablenkvorrichtung die Ablenkung von Ultraschallwellen zu gewährleisten. Auch eine größere Anzahl von Ablenkflächen ist möglich, beispielsweise eine Anzahl von vier Ablenkflächen, wie sie beispielsweise bei einer prismen- oder pyramidenförmigen Ausgestaltung der Ablenkvorrichtung entstehen. Die Ablenkvorrichtungen können eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein. Verschiedene Beispiele werden unten noch näher ausgeführt.
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Die mindestens eine Ablenkfläche kann insbesondere gegenüber der Reflexionsfläche geneigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Ablenkfläche insbesondere mindestens eine gegenüber einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern geneigte Ablenkfläche umfassen. Vorzugsweise kann die mindestens eine Ablenkfläche derart ausgestaltet sein, dass eine Basislinie dieser Ablenkfläche, in welcher die Ablenkfläche eine durch die Strömungsrichtung des Fluidenmediums und die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern aufgespannte Ebene schneidet, unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern angeordnet ist, beispielsweise unter einem Winkel von 0° bis 70° und/oder unter einem Winkel von 110° bis 180°. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Ablenkfläche einen Normalenvektor aufweisen, der nicht parallel oder antiparallel zu der zur Reflexionsfläche senkrechten Ebene ist, welche die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern einschließt. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass Ultraschallsignale aus einer zur Reflexionsfläche senkrechten Ebene, welche die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern ein schließt, heraus reflektiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Flächennormalen der Ablenkflächen insbesondere auch mit einer Flächennormalen der Reflexionsfläche einen Winkel einschließen, welcher im Mittel über den Betrag dieses Winkels größer ist als 10°, vorzugsweise größer als 15°, besonders bevorzugt größer als 20°. Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere teilweise durch eine Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern gebildet werden. Beispielsweise kann die Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern in Richtung einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern in drei Flächenbereiche einteilbar sein. Eine Ausdehnung der drei Flächenbereiche längs und quer zu der Verbindungslinie kann dabei jeweils ungefähr ein Drittel der Länge der Verbindungslinie betragen. Ein über den mittleren dieser drei Flächenbereiche im Betrag gemittelter Winkel zwischen einer Flächennormalen der Reflexionsfläche und den Flächennormalen der Messrohroberfläche kann dabei vorzugsweise größer als 10° gewählt werden, insbesondere größer als 15° und besonders bevorzugt größer als 20°.
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Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Form aufweisen, welche ausgewählt ist aus einer der folgenden Formen: eine Dachform; eine Pyramidenform; eine Dachform mit gekrümmten Dachflächen als Ablenkflächen; eine Pyramidenform mit gekrümmten Pyramidenflächen als Ablenkflächen; eine Pyramidenform mit konvexen oder konkaven Zylinderflächen als Ablenkflächen; eine in die Strömung hineinragende Spitze; eine Sägezahnform; eine Wellenform; eine Noppenform; eine Dellenform; eine Buckelform; eine Stufenform; eine Rippenform; eine zu minestens einer der vorgenannten Formen inverse Form, die sich z. B. durch einen Negativ-Abdruck dieser Formen ergeben würde. Auch Kombinationen der genannten Formen und/oder anderer Formen können vorgesehen sein. Weiterhin können mehrere solcher Formen aneinandergereiht oder kombiniert werden. So können beispielsweise mehrere Pyramidenformen aneinandergereiht werden, beispielsweise zu einem Waffelmuster. Sind mehrere Pyramidenformen in einer oder zwei Richtungen aneinandergereiht, so ist es besonders bevorzugt, wenn die Basislinien dieser Pyramiden unter einem von 0° und 90° verschiedenen Winkel zu einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern verlaufen. Beispielsweise können die Basislinien unter einem Winkel von 20° bis 70° und/oder unter einem Winkel von 110° bis 160° zu der Verbindungslinie verlaufen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die genannten Formen können insbesondere als Grobstruktur ausgebildet sein, im Sinne der obigen Definition. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere der genannten Formen jedoch auch als Feinstruktur ausgebildet sein, beispielsweise auf einer Ablenkfläche. So können beispielsweise auch Grobstrukturen und Feinstrukturen miteinander kombiniert werden, beispielsweise indem eine oder mehrere Flächen einer Grobstruktur, beispielsweise eine oder mehrere Ablenkflächen, durch eine oder mehrere Feinstrukturen unterstrukturiert sind.
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So kann die Ablenkvorrichtung insbesondere, wie oben ausgeführt, mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei oder mehr Ablenkflächen aufweisen. Diese Ablenkflächen können insbesondere eine Unterstrukturierung und/oder eine Feinstruktur aufweisen. Unter einer Feinstruktur ist dabei eine Strukturierung auf der oben beschriebenen Größenskala zu verstehen, beispielsweise eine Unterstrukturierung der mindestens einen Ablenkfläche. Die Ablenkfläche kann als solche in ihrem gesamten Verlauf eine Grobstruktur definieren oder Bestandteil einer Grobstrukturen sein, wobei die mindestens eine Ablenkfläche dann vorzugsweise durch die Feinstruktur oder durch eine andere Art von Unterstrukturierung, beispielsweise mindestens eine kleinere Grobstruktur, in mehrere Teilflächen unterteilt wird. Diese Unterstrukturierung, beispielsweise die Feinstruktur oder die kleinere Grobstruktur, kann insbesondere eine Tiefe aufweisen, welche im Bereich von weniger als 5 Wellenlängen der Ultraschallwellen in dem fluiden Medium liegt, vorzugsweise im Bereich von weniger als 2 Wellenlängen und besonders bevorzugt von weniger als einer Wellenlänge, beispielsweise im Bereich einer viertel Wellenlänge. Die Unterstrukturierung kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Strukturen aufweisen: eine Mehrzahl von Rippen; eine Mehrzahl von Rillen; ein Gitter; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Flächen; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Formen der oben genannten Art.
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Wie oben ausgeführt, können die Ultraschallwandler, zusätzlich zu dem Versatz längs zur Strömungsrichtung, auch quer zur Strömung des fluiden Mediums zueinander versetzt sein. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise verhindern, dass Strömungsunregelmäßigkeiten, welche durch einen stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler erzeugt werden, einen stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler beeinflussen.
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Weiterhin kann, insbesondere in einer Anordnung mit quer zur Strömung des Fluiden Mediums zueinander versetzten Ultraschallwandlern, jedoch auch in anderen Anordnungen, die Ablenkvorrichtung mindestens eine Reflexionsbarriere umfassen. Unter einer Reflexionsbarriere ist dabei eine Barriere zu verstehen, welche sich von der Messrohroberfläche aus vergleichsweise steil in die Strömung des fluiden Mediums hinein erstreckt. Beispielsweise kann diese Reflexionsbarriere in Form einer Lamelle ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Reflexionsbarriere eine Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern im mittleren Drittel schneiden, vorzugsweise bei der Hälfte.
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Insbesondere kann die Reflexionsbarriere derart ausgestaltet sein, dass diese eine Lamelle mit folgenden Eigenschaften umfasst: Die Lamelle weist erstens eine Hauptausdehungsrichtung auf mit einer nicht verschwindenden Vektorkomponente quer zur direkten Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern, so dass Schallwellen vom einen Ultraschallwandler über eine erste Reflexion an der Reflexionsfläche nicht in größerem Maße über eine oder mehrere Reflexionen an der Ablenkvorrichtung und eine zweite Reflexion an der Reflexionsfläche zum anderen Wandler gelangen, sondern eher zurückreflektiert oder tendenziell seitlich wegreflektiert werden. Wegen der quer zur Strömungsrichtung versetzten Anordnung der Ultraschallwandler kann die Lamelle dabei, alternativ oder zusätzlich, parallel oder weitgehend parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sein, so dass die Lamelle die Strömungsführung nicht stört. Durch diese Anordnung einer Hauptstruktur der Ablenkvorrichtung in Strömungsrichtung kann die entsprechende Strukturtiefe entsprechend größer gewählt werden, ohne die Strömungsführung zu stören, so dass eine reglerechte Barriere für den W-förmigen Schallverlauf realisierbar ist.
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Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere, wie oben aufgeführt, mindestens zwei Ablenkflächen umfassen. Diese Ablenkflächen können sich beispielsweise, wie oben ausgeführt, in einer Dachform in einer Schnittlinie schneiden. Die Schnittlinie kann insbesondere unter einem von 90° verschiedenen Winkel zu einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern angeordnet sein, wodurch ansonsten W-förmige Schallverläufe nicht nur durch die Dach-Neigung der Ablenkflächen reduziert oder eliminiert werden, sondern der Schall aus derjenigen Ebene herausreflektiert wird, die senkrecht zur Reflexionsfläche und parallel zur Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwanldern verläuft. Diese Ebene ist in der Regel identisch mit der Ebene, die durch die Hauptanteile der Nutzsignale aufgespannt wird oder auch durch die W-förmigen Anteile bei einer fehlenden Ablenkvorrichtung. Der von 90° abweichenden Winkel zwischen der Schnittlinie der ablenkflächen und der Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern ist weiterhin gleichbedeutend anzusehen mit der Eigenschaft, dass die Normalenvektoren der Ablenkflächen nicht parallel zu der durch die Hauptanteile der Nutzsignale aufgespannten Ebene sind. Durch eine entsprechende Ablenkung der auf der Ablenkfläche auftretenden Schallanteile aus dieser Ebene hinaus wird verhindert, dass diese abgelenkten Schallanteile in zu großem Maße über die Reflexionsfläche auf den sendenen Ultraschallwandler zurückreflektiert werden, was ebenfalls als parasitärer Schallweg (z. B. für die entgegengesetzte Messrichtung) anzusehen ist. Beispielsweise kann ein Winkel von weniger als 80° vorgesehen sein, beispielsweise ein Winkel von weniger als 70°. Die Ablenkflächen selbst treffen können beispielsweise unter einem von 90° verschiedenen Winkel aufeinandertreffen, beispielsweise unter einem Winkel, welcher mehr als 90° beträgt, beispielsweise einem Winkel von mehr als 100° und insbesondere einem Winkel von mehr als 110°. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
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Der vorgeschlagene Ultraschallströmungssensor weist gegenüber bekannten Ultraschallströmungssensoren mehrere Vorteile auf. So lässt sich insbesondere, unter weitgehender Unterdrückung parasitärer Ultraschallpfade, ein eindeutiger Ultraschall-Übertragungspfad sicherstellen. Der Ultraschallströmungssensor kann, wie oben ausgeführt, insbesondere mit zwei versetzt in der zu messenden Strömung angeordneten Ultraschallwandlern ausgestaltet sein, die sich über die Reflexionsfläche gegenseitig Ultraschallsignale zusenden. Die Ausrichtung der Reflexionsfläche kann insbesondere durch deren Hauptnormalenvektor Nh im Reflexionsbereich festgelegt werden. Die Messrohroberfläche kann, wie oben ausgeführt, zwischen den Ultraschallwandlern in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern in die drei Flächenbereiche eingeteilt sein, welche oben definiert wurden, und deren Ausdehnungen längs und quer zu dieser Verbindungslinie eine Ausdehnung von zumindest näherungsweise ein Drittel der Länge L der Verbindungslinie aufweisen. Dabei kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, der über den mittleren dieser drei Flächenbereiche M gemittelte Winkel zwischen den Flächennormalen N der Messrohroberfläche und dem antiparallel zum Hauptnormalenvektor Nh der Reflexionsfläche gerichteten Vektor größer als 15° gewählt werden. Der Ultraschallströmungssensor kann insbesondere als Ablenkvorrichtung zwischen den Ultraschallwandlern eine Oberflächenstruktur aufweisen, insbesondere eine Oberflächenstruktur einer Messrohroberfläche. Diese Oberflächenstruktur kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein parasitärer W-förmiger Schallpfad mit Reflexionen über die Reflexionsfläche, den Bereich zwischen den Ultraschallwandlern und nochmals über die Reflexionsfläche, gegenüber dem nur einmal über die Reflexionsfläche verlaufenden V-förmigen, erwünschten Nutzschallpfad durch die Oberflächenstruktur wesentlich unterdrückt wird.
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Durch die Erfindung werden insbesondere Störsignale unterdrückt. Diese würden zwar ohne die Erfindung später als die Nutzsignale am Empfänger eintreffen, beispielsweise mit ungefähr der doppelten Laufzeit. Somit könnten diese Störsignale abgewartet werden oder durch ein geeignet gewähltes Auswerte-Zeitfenster eliminiert werden. Allerdings muss dann im repetierenden Messbetrieb länger gewartet werden, bis eine erneute Messung stattfinden kann oder bis die Messung in der entgegengesetzten Schallrichtung erfolgen darf. Durch die Erfindung lässt sich die Messwiederholrate dagegen ohne zusätzliche Messfehler in einen Bereich bringen, der zur ausreichenden Abtastung pulsierender Strömungen, beispielsweise im Ansaug-, Frischluft- oder Abgasbereich von Verbrennungsmotoren erforderlich ist. Gegenüber der in
DE 39 41 544 A1 beschriebenen Vorrichtung liegt der Vorteil insbesondere im primären V-förmigen Schallpfad, der nur eine einzelne Reflexion erfordert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Grundaufbau eines bekannten Ultraschallströmungssensors mit einer einfachen Reflexionsfläche;
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2A und 2B den zeitlichen Verlauf von Ultraschallsignalen an den Ultraschallwandlern;
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3 bis 5 zu 1 alternative Anordnungen ohne oder mit unzureichender Unterdrückung von parasitären Ultraschallpfaden;
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6A bis 7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors mit einer Ablenkvorrichtung;
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8 bis 16 alternative Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors;
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17 bis 19F verschiedene Ausführungsbeispiele einer Oberflächenkonturierung einer Ablenkvorrichtung; und
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20A bis 22B weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ultraschallströmungssensoren.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt als Ausgangspunkt für die vorliegende Anmeldung einen bekannten Ultraschallströmungssensor 110. Dieser weist ein Strömungsrohr 112 auf, durch welches in einer Strömungsrichtung 114 mit einer in 1 mit v bezeichneten Geschwindigkeit ein fluides Medium, beispielsweise ein Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder eine Luftmasse in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine (besipielsweise auch nach Komprimierung durch einen Turbolader), fließt. Das Strömungsrohr 112 weist ein Messrohr 116 auf, welches beispielsweise einen Abschnitt des Strömungsrohrs 112 bilden kann oder auch durch ein Gehäuse gebildet werden kann, welches als Steckfühler im Strömungsrohr 112 angebracht ist. In einer Messrohroberfläche 118 des Messrohrs 116 sind zwei Ultraschallwandler 120, 122 längs zur Strömungsrichtung 114 zueinander versetzt angeordnet. Diese Ultraschallwandler 120, 122 sind in 1 auch mit den Buchstaben A und B bezeichnet. Die Ultraschallwandler 120, 122 senden sich gegenseitig Ultraschallwellen über einen Reflektor 124 mit einer Reflexionsfläche 126 zu. Hierbei ergibt sich ein V-förmiger, gewünschter Schallpfad 128, welcher in 1 strichpunktiert dargestellt ist. Weiterhin ist in 1 ein parasitärer, gepunktet dargestellter W-förmiger Schallpfad 130 gezeigt, welcher sich durch Mehrfachreflexionen an der Reflexionsfläche 126, mit dazwischen geschalteter Reflexion an der Messrohroberfläche 118, ergibt. Über die Laufzeiten der Schallwellen von A nach B und umgekehrt wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V und daraus der Volumenstrom und/oder der Massenstrom ermittelt. Je nach Richtcharakteristik der Ultraschallwandler 120, 122 und je nach Strahlverwehung aufgrund des strömenden Mediums ergeben sich, zusätzlich zu dem gewünschten V-förmigen Schallpfad 128, ein oder mehrere unerwünschte Schallpfade, beispielsweise der dargestellte W-förmige oder M-förmige parasitäre Schallpfad 130.
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Die 2A und 2B zeigen eine mögliche zeitliche Abfolge der Ultraschallmessungen. Dargestellt ist in diesen Figuren jeweils die Schallintensität I an beiden Ultraschallwandlern 120, 122 als Funktion der Zeit t, aufgeteilt in die am Ultraschallwandler A emittierten Schallwellen (2A) bzw. die am Ultraschallwandler B emittierten Schallwellen (2B). Zuerst wird an Ultraschallwandler A gesendet (2A, fett gezeichnete Kurve), und der Schall dann über den V-förmigen Schallpfad 128 nach B übertragen (dünn gezeichnete Kurve in 2A). Normalerweise wird der an B empfangene Schall nicht komplett in ein elektrisches Signal umgesetzt, sondern ein Großteil der Schallenergie wird am empfangenden Ultraschallwandler wieder zurückreflektiert und trifft dann wieder bei A auf (gepunktet gezeichnet), wird dort wiederum reflektiert und gelangt wieder zu B etc. Wird an B gesendet (2B, fett gezeichnete Kurve), während der von A gesendete und an B reflektierte Schall gerade wieder zu A zurückgekommen ist, dann trifft der an B gesendete Schall in A ein, während dort kein reflektierter, störender Schall vom letzten Sendevorgang (A) vorliegt, sondern nur vom vorletzten Sendevorgang (B). Der entsprechende Störschall ist zu diesem Zeitpunkt bereits vier Mal an den Ultraschallwandlern 120, 122 reflektiert worden und entsprechend abgeschwächt. Zusätzlich kann durch eine variable Messwiederholrate der Einfluss dieses vier Mal reflektierten Störschalls weiter reduziert werden, indem über mehrere Messungen gemittelt wird, die in leicht unterschiedlichen zeitlichen Abständen z. B. innerhalb der Variationsbreite einer Ultraschallperiode durchgeführt wurden. Auf diese Weise kann die Messwiederholrate, wie in den 2A und 2B, relativ hoch gewählt werden, ohne dass für eine einzelne Messung so lange zugewartet werden muss, bis alle von vorherigen Sendeereignissen herrührenden Echos abgeklungen sind.
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Allerdings sind bei der Darstellung in den 2A und 2B parasitäre W- bzw. M-förmige Schallpfade oder andere parasitäre Schallpfade noch nicht berücksichtigt. Diese Pfade sind beispielsweise ungefähr doppelt so lang wie der V-förmige Schallpfad 128, so dass bei fortlaufenden wiederholten Messungen in zeitlich kurzem Abstand, wie in den 2A und 2B, zusätzliche Störsignale entstehen und einen Messfehler verursachen. Diese parasitären Schallpfade entstehen vor allem dann, wenn zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 eine reflektierende Oberfläche, beispielsweise eine reflektierende Messrohroberfläche 118, vorliegt. Dies kann, abweichend zu 1, auch bei anderen Geometrien auftreten, wie beispielsweise in den 3 bis 5 dargestellt. Diese Figuren zeigen wiederum Ultraschallströmungsmesser 110 ähnlich zu dem in 1 gezeigten Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Den gezeigten Geometrien ist die Eigenschaft gemeinsam, dass insbesondere ungefähr in der Mitte zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 Flächenanteile mit einer Normalen-Richtung vorliegen, die in etwa antiparallel zum Hauptnormalenvektor der Reflexionsflache 126 ist. In 5 ist zwar eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher eine Wölbung zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 vorliegt, die auch beispielsweise aerodynamische Vorteile bieten kann und gleichzeitig auch Schall leicht streut. Allerdings liegt immer noch ein Normalenvektor antiparallel zum Normalenvektor der Reflexionsfläche 126 vor, und zwar unter anderem im kritischen Bereich ca. in der Mitte zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122. Dies ist in der Regel selbst dann der Fall, wenn die Messrohroberfläche 118 zwischen den Ultraschalandlern 120, 122 durchgängig eine leichte Krümmung oder Wölbung aufweist.
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In den 6A bis 8 ist hingegen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ultraschallströmungssensors 110 dargestellt. Die Rippen sind hier mit der Bezugsziffer 140 gekennzeichnet. Diese Unterteilung der Ablenkflächen 134, 136 durch die Rippen-Struktur der Rippen 140, welche bis zum Boden des Strömungsrohrs 112 reichen können oder auch lediglich teilweise in die Ablenkflächen 134, 136 eingelassen sein können, kann beispielsweise die aerodynamischen Eigenschaften des Ultraschallströmungssensors 110 begünstigen und außerdem eine zusätzliche Schallstreuung oder teilweise Schallauslöschung durch Interferenz der an den einzelnen Rippen 140 gestreuten bzw. reflektierten Schallwellen bewirken.
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In den 9A und 9B sind alternative Ausführungsformen der Kontur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 in Form von Höhenlinien symbolisch dargestellt. Dabei ist gezeigt, dass die Ultraschallwandler 120, 122 auch seitlich, quer zur Strömungsrichtung 114 gegeneinander versetzt angeordnet sein können. Die Ausläufer der Kontur der Ablenkvorrichtung 132 können sich dabei zumindest teilweise bis seitlich neben die Ultraschallwandler 120, 122 erstrecken. Die Ultraschallwandler 120, 122 können hierbei auch quer zur Strömungsrichtung 114 nebeneinander versetzt angeordnet sein (9A) und/oder bezüglich ihrer gegenseitigen direkten Ausrichtung verschoben bzw. gegeneinander verkippt sein (9B). Diese Ausgestaltungen können einerseits dafür sorgen, dass mehrmalig zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 reflektierte Echos reduziert werden und andererseits kann erreicht werden, dass eine Wirbelschleppe des einen Ultraschallwandlers 120 nicht den anderen Ultraschallwandler 122 trifft.
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In den 10A und 10B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors 110 gezeigt, bei welchem die Ablenkvorrichtung 132 mindestens eine Reflexionsbarriere 152 umfasst. Dabei zeigt 10A eine Draufsicht auf die Messrohroberfläche 118, in welcher die Ultraschallwandler 120,122 aufgenommen sind, wohingegen 10B eine perspektivische Teilansicht der Anordnung zeigt.
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Aus diesen Darstellungen geht hervor, dass die Reflexionsbarriere 152 grundsätzlich eine Struktur ist, welche aus der Messrohroberfläche 118 hervorragt und mindestens zwei Ablenkflächen 134, 136 umfasst, welche sehr steil zur Messrohroberfläche 118 verlaufen. Beispielsweise können diese Ablenkflächen 134, 136 unter einem Winkel von 70° bis 110°, insbesondere von 80° bis 90°, zur Messrohroberfläche 118 verlaufen. Die Reflexionsbarriere 152 kann sich beispielsweise um eine Höhe H zwischen 1,0 mm und 20 mm in die Strömung des Fluidenmediums hinein erstrecken. Weiterhin kann die Reflexionsbarriere 152 beispielsweise eine Länge l in Strömungsrichtung 114 aufweisen, welche beispielsweise 1,0 mm bis 50 mm betragen kann.
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Weiterhin kann die Reflexionsbarriere 152 insbesondere im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 114 angeordnet sein, wie insbesondere aus der Darstellung in 10A exemplarisch hervorgeht. Unter „im Wesentlichen parallel” kann dabei auch eine Abweichung von der Parallelität um nicht mehr als 20°, vorzugsweise um nicht mehr als 10° und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5° verstanden werden. Die Reflexionsbarriere 152 kann insgesamt sehr schmal ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer Breite b senkrecht zur Strömungsrichtung 114, welche nicht mehr als 5,0 mm beträgt, beispielsweise 0,5 bis 3,0 mm.
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Wie ebenfalls aus den 10A und 10B hervorgeht, kann die Reflexionsbarriere 152 insbesondere schräg zur Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 verlaufen, welche in den 10A und 10B mit L bezeichnet ist. Beispielsweise kann die Längserstreckungsrichtung der Strömungsbarriere, welche in den 10A und 10B mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet ist, die Verbindungslinie L unter einem Winkel von 5° bis 60°, insbesondere von 20° bis 45°, schneiden.
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Wird eine dachartige Struktur mit Rippen 140, beispielsweise Lamellen, wie in 8, oder auch eine Anordnung ohne Lamellen gewählt, dann kann dieses ”Dach” der Ablenkvorrichtung 132 auch zusätzlich so verkippt werden, dass die Schnittlinie 130 zwischen den Ablenkflächen 134, 136, welche als ”Firstlinie” dieses Dachs ausgestaltet sein kann, nicht senkrecht zur Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 steht. Diese Ausgestaltung kann auch in den übrigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung realisiert werden, beispielsweise in den Ausführungsbeispielen gemäß den 11 bis 14. So beschreibt 11 eine Ausgestaltung ähnlich zum Ausführungsbeispiel in 9B, wobei die Ablenkflächen 134, 136 zusätzlich eine Unterstrukturierung 142 aufweisen können, beispielsweise in Form von Rippen oder Rillen, beispielsweise in Form einer kleineren Grobstruktur oder in Form einer Feinstruktur. 12 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in 11, bei welchem ebenfalls eine Unterstrukturierung 142 vorgesehen ist, beispielsweise in Form von Stufen. In 13 ist ein Ausführungsbeispiel analog zum Ausführungsbeispiel in 9A gezeigt, bei welchem ebenfalls wiederum optional eine Unterstrukturierung 142 vorgesehen ist, in diesem Fall beispielsweise wiederum in Form von Stufen. Eine Unterstrukturierung 142, beispielsweise in Form einer Grobstruktur auf kleinerem Maßstab oder einer Feinstruktur, kann allgemein optional bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in den Ablenkflächen 134, 136 vorgesehen sein. Eine derartige Unterstrukturierung 142 unterteilt die Grobstruktur, welche durch die Ablenkflächen 134, 136 vorgegeben ist, in kleinere Flächen, beispielsweise Teilflächen, Vertiefungen, Rillen oder ähnliches. Vorzugsweise ist die Tiefe dieser Unterstrukturierung 142 in der Größenordnung der Ultraschall-Wellenlänge in dem fluiden Medium, beispielsweise in dem die Tiefe der Unterstrukturierung 142 das 5-fache dieser Wellenlänge nicht überschreitet, vorzugsweise das 3-fache oder sogar das 2-fache.
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In 14 ist noch einmal eine Grundstruktur des dachartigen Aufbaus der Ablenkvorrichtung 132 gezeigt. Wie oben dargestellt, kann die durch die Ablenkflächen 134, 136 dieser Ablenkvorrichtung 132 vorgegebene Grobstruktur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 als Oberflächen-Unterstrukturierung 142 zusätzlich Rillen 144 aufweisen, wie dies in dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 exemplarisch dargestellt ist. Diese Rillen 144 können Flächenabschnitte 146 definieren, beispielsweise Flächenabschnitte 146 auf den Stegen zwischen den Rillen 144 und Flächenabschnitte 146 zwischen diesen Stegen. Benachbarte Flächenabschnitte 146 können dabei eher senkrecht aufeinander treffen, wie dies beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 zumindest näherungsweise der Fall ist, oder auch schräg, wie dies in dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 gezeigt ist. Schräg aufeinander treffende Flächenabschnitte verbessern die Streuwirkung bezüglich des parasitären Schalls. Dies ist in 17 skizziert. 17 stellt einen Querschnitt durch eine der Ablenkflächen 134, 136 dar, aus welchem diese Flächenabschnitte 146 erkennbar sind. Hierbei sind vor allem Unterstrukturierungen 142 vorteilhaft, welche Tiefendimensionen und/oder Lateraldimensionen in der Größenordnung der Schallwellenlänge im strömenden Medium aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von λ/4. Dies ist anhand der 18 nochmals dargestellt, welche eine zu 17 alternative Ausgestaltung der Flächenabschnitte 146 zeigt. Bei einer derartigen Dimensionierung ergeben sich Phasenverschiebungen der reflektierten Schallanteile, die sich zumindest teilweise gegenseitig durch Interferenz auslöschen. Alternativ zu der in 17 gezeigten dachförmigen Unterstrukturierung oder der in 18 gezeigten Unterstrukturierung sind in den 19A bis 19F verschiedene weitere Ausgestaltungen gezeigt. Außer Unterstrukturierungen 142 mit einer Hauptausrichtung, beispielsweise Rillenstrukturen wie zuvor beschrieben, sind auch Unterstrukturierungen 142 mit mehreren Hauptausrichtungsachsen oder annähernd isotrop in der Fläche verteilten Strukturen wie z. B. gitterartigen Strukturen oder scheinbar ungeordnet angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen denkbar. Unabhängig von der Wahl solcher Unterstrukturierung ist in den 20A (perspektivische Darstellung) und 206 (Draufsicht) eine Grobstruktur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 dargestellt, die als Ablenkvorrichtung 132 wirkt und anstelle einer ”Firstlinie” eine Spitze 148 aufweist. Diese Spitze 148 kann beispielsweise eine pyramidale Struktur mit drei, vier oder mehr Ablenkflächen 150 abschließen. Wird eine solche Struktur, wie in den 20A und 20B, gegenüber der Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 ausgerichtet, dann werden W-förmige parasitäre Schallanteile nicht nur in Strömungsrichtung bzw. in Richtung der Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122, sondern auch mit einer Komponente quer dazu abgelenkt.
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In 21 ist eine Abwandlung der in 20B dargestellten Anordnung gezeigt. Diese Abwandlung weist die Querablenkung nur an zwei von vier Ablenkflächen 150 in Form von Pyramidenflächen auf, zeigt in den meisten Anwendungsfällen jedoch immer noch eine ausreichende Ablenkwirkung. Gerade letztere Geometrie gemäß 21 weist zusätzlich den Vorteil auf, dass diese besonders gut mit den Einbautaschen für die üblicherweise schräg eingebauten Ultraschallwandler 120, 122 in der Messrohroberfläche 118 vereinbar ist. In diesem Fall bietet es sich an, die pyramidale Struktur zu krümmen und/oder zu verzerren, so dass diese nur in der Spitze 148 wirklich pyramidenförmig ist. Dies ist anhand der perspektivischen Darstellung in 22A verdeutlicht, wobei 22B eine Schnittdarstellung der Messrohroberfläche 118 senkrecht zu einer Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 zeigt. Hierbei wurde die pyramidale Struktur der Ablenkvorrichtung 132 durch sich schneidende Zylinderoberflächen der Messrohroberfläche 118 erzeugt. Alternativ können auch Kegelflächen oder auch andere gerade oder gekrümmte Flächen verwendet werden, welche einander schneiden und so die Ablenkvorrichtung 132, vorzugsweise mit einer Spitze 148, bilden. Auch bei dem in 22A gezeigten Aufbau weist jede der vier ”Dachflächen”, welche die Ablenkflächen 150 bilden, eine Ausrichtung auf, deren Normalenrichtung in und/oder gegen und/oder quer zur Strömungsrichtung deutlich vom Vektor antiparallel zur Normalenrichtung der Reflexionsfläche 126 abweicht, wodurch parasitäre Schallbeiträge vermieden werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3941544 A1 [0002, 0003, 0007, 0023]
