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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 45.
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Ein gattungsbildendes Verfahren ist in der
WO 2008/034 878 beschrieben. Danach wird zur Bestimmung von Eigenschaften des Mediums ein Sender zum Erzeugen akustischer Wellen und ein Empfänger zum Empfang akustischer Wellen bereitgestellt, wobei akustische Oberflächenwellen durch den Sender auf einem Substrat angeregt werden, das eine dem Medium zugewandte Oberfläche aufweist. Hierbei werden sich im Medium ausbreitende akustische Wellen durch Umwandlung zumindest eines Teils der Energie der akustischen Oberflächenwellen des Substrats in Energie der sich im Medium ausbreitenden Wellen angeregt. Dies erfolgt derart, dass sich mehrere Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger auf zumindest teilweise durch das Medium verlaufenden Ausbreitungspfaden ausbreiten.
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Die Wellenzüge werden am Empfänger empfangen und die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums wird durch eine Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung dieser akustischen Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger mittels der am Empfänger beim Empfang der Wellenzüge erzeugten Signale bestimmt.
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Darüber hinaus ist eine zur Durchführung eines gattungsbildenden Verfahrens bestimmte Vorrichtung ist in der
WO 2008/034 878 beschrieben. Danach wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Mediums bereitgestellt, die ein Substrat mit einer dem Medium zugewandten Oberfläche umfasst. Hierbei ist die Oberfläche relativ zum Medium so angeordnet, dass akustische Wellenenergie von der Oberfläche auf das Medium übertragen werden kann und umgekehrt. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Sender zum Anregen akustischer Wellenenergie der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, auf dem Substrat akustische Oberflächenwellen anzuregen und einen zum Empfang akustischer Wellen vorgesehenen und eingerichteten Empfänger. Hierbei sind das Substrat, das Medium, der Sender und der Empfänger so eingerichtet, vorgesehen und relativ zueinander angeordnet, dass sich durch den Sender angeregte akustische Wellenzüge zum Empfänger auf zumindest teilweise durch das Medium verlaufenen Ausbreitungspfaden ausbreiten können. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteinrichtung, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, Eigenschaften der Ausbreitung der akustischen Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger mittel der am Empfänger beim Empfang der Wellenzüge erzeugter Signale zu ermitteln.
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Die Druckschrift
WO 2008/034 878 offenbart dabei nur, dass eine Strömungsgeschwindigkeit eines flüssigen Mediums durch Messung von Eigenschaften der Wellen zwischen Sender und Empfänger bestimmbar ist. Über eine detaillierte Ausgestaltung und Ausführung eines Strömungsgeschwindigkeitsmessverfahrens bzw. einer zugehörigen Vorrichtung ist aus der
WO 2008/034 878 nichts bekannt.
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Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bereitzustellen, das eine besonders zuverlässige und wenig aufwendige Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mittels akustischer Wellen ermöglicht. Des Weiteren soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 45 gelöst. Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines sich zwischen dem Sender und dem Empfänger ausbreitenden Wellenzuges ermittelt werden, der wenigstens eine Welle umfasst, die in wenigstens einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweist und, dass zusätzlich Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines sich zwischen dem Sender und dem Empfänger ausbreitenden weiteren Wellenzuges ermittelt werden, der wenigstens eine Welle umfasst, die in wenigstens einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung des Mediums aufweist.
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Das Verfahren beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle, insbesondere einer Ultraschallwelle, in einem sich bezüglich des Ruhesystems des Empfängers strömenden Medium erhöht, wenn sie einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweist bzw. sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend verringert, wenn sie einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungskomponente in Gegenrichtung der Strömung des Mediums aufweist. Dadurch entsteht beim Ausbreiten des Wellenzuges in Fließrichtung des Mediums eine kürzere und beim Ausbreiten des Wellenzuges entgegen der Fließrichtung eine längere Laufzeit des betreffenden akustischen Wellenzuges. Aufgrund dieses Effektes, kann aus einer Messung der Eigenschaften der Ausbreitung dieser Wellen, insbesondere einer Laufzeitmessung, die Fließgeschwindigkeit VFL des Mediums zuverlässig bestimmt werden.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines Wellenzuges mit Wellen, die einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungskomponente in Gegenrichtung der Strömung des Mediums aufweisen, als auch wenigstens eines anderen Wellenzuges mit Wellen, die einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweisen, zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden. Insbesondere kann eine zuverlässigere Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durch dieses Verfahren im Vergleich zu einem Verfahren erfolgen, bei dem die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausschließlich durch Ermitteln von Eigenschaften der Ausbreitung von Wellenzügen mit Wellen, die einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung aufweisen.
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Bei dem Verfahren ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das Ermitteln von Eigenschaften der Ausbreitung der Wellenzüge das Ermitteln der Laufzeitverzögerungen und/oder der Differenz der Laufzeitverzögerungen der sich zwischen dem Sender und dem Empfänger in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausbreitenden Wellenzüge umfasst, um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Alternativ oder zusätzlich ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass das Ermitteln von Eigenschaften der Ausbreitung der Wellenzüge das Ermitteln einer Frequenz und/oder Frequenzänderung der sich zwischen dem Sender und dem Empfänger in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausbreitenden Wellenzüge umfasst. um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn in einem gasförmigen oder flüssigen oder weichen Medium mitströmende Partikel, insbesondere Feststoffpartikel, und/oder im Medium eingeschlossene Blasen verteilt sind, mit dem eine sich im Medium ausbreitende Welle, die Teil eines der Wellenzüge ist, wechselwirkt. Aufgrund des Dopplereffektes kann es bei diesen Wechselwirkungen zu Frequenzverschiebungen im Vergleich zu einem ruhenden Medium kommen. Bei der Durchführung des Verfahrens wird in diesem Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums eine Frequenzmessung bzw. Messung der Frequenzänderung als Ermittelung einer Eigenschaft der Ausbreitung wenigstens eines Wellenzuges mit Wellen vorgenommen, die einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweisen und zusätzlich eine Frequenzmessung bzw. Messung der Frequenzänderung als Ermittelung einer Eigenschaft der Ausbreitung wenigstens eines Wellenzuges mit Wellen vorgenommen, die einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungskomponente in Gegenrichtung der Strömung des Mediums aufweisen.
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Hierbei werden Signale ausgewertet, die beim Empfang der Wellenzüge am Empfänger von diesem erzeugt wurden. In einer Ausführungsvariante ist zusätzlich zur Frequenzmessung eine Laufzeitmessung vorgesehen.
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In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums eine Dichte des Mediums und/oder eine Konzentration einer im Medium enthaltenen Substanz durch eine Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung von Wellenzügen mittels der am Empfänger beim Empfang der Wellenzüge erzeugter Signale bestimmt wird. Hierbei kann es sich um eine Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung derjenigen Wellenzüge handeln, die sich in wenigstens einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades in Richtung der Strömung des Mediums ausbreiten bzw. derjenigen Wellenzüge, die sich in wenigstens einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnittes ihres Ausbreitungspfades in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung des Mediums ausbreiten.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Eigenschaften der Ausbreitung der gleichen Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger sowohl zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums als auch zur Bestimmung einer Dichte des Mediums und/oder einer Konzentration einer im Medium enthaltenen Substanz herangezogen werden. Dabei ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Strömungsgeschwindigkeit, eine Dichte des Mediums M und/oder die Konzentration einer Substanz in dem Medium durch eine Messung einer Laufzeitverzögerung von akustischen Wellen, die sich im Medium ausgebreitet haben, zu bestimmen. Insbesondere ist es bei einer solchen Ausführungsvariante hinreichend, Informationen über die Eigenschaften der Ausbreitung, insbesondere der Laufzeit und/oder von Frequenzen und/oder Frequenzänderungen, zweier derartiger Wellenzüge zu bestimmen. Hieraus lässt sich nämlich bei Kenntnis der Geometrie des Wellenleiters und der Anordnung der Sender und Empfänger sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit im gedachten, ruhenden Bezugssystem der Flüssigkeit bestimmen. Letztere ist abhängig von der Dichte der Flüssigkeit, sodass die Dichte ermittelt werden kann.
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Bei dem Verfahren kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Größe einer Querschnittsfläche des vom Medium durchströmten Raumvolumens ermittelt wird. Alternativ kann in einem Ausführungsbeispiel die Größe der Querschnittsfläche bereits bekannt sein. Ist die Größe einer Querschnittsfläche des vom Medium durchströmten Raumvolumens ermittelt oder bekannt und wurde mittels des Verfahrens die Strömungsgeschwindigkeit und die Dichte des durch die Querschnittsfläche strömenden Mediums ermittelt, so ist hierdurch der Massenstrom des Mediums bestimmt. Der Massenstrom ergibt sich als das Produkt der Strömungsgeschwindigkeit, der Querschnittfläche und der Dichte. Die genannten Ausführungsbeispiele zeichnen sich also dadurch aus, dass aus der Messung der Ausbreitung von Wellenzügen, bei denen ein Wellenzug eine Welle umfasst, die sich zumindest abschnittsweise mit einer vektoriellen Geschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung des Mediums ausbreitet, und ein anderer Wellenzug eine Welle umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in Richtung zur Strömung des Mediums ausbreitet, sowohl die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums als auch die Dichte des Mediums bestimmbar ist und somit ein Massenstrom bestimmbar wird.
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Bei einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird ein zumindest ein Substrat umfassender Wellenleiter bereitgestellt, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, die einen Innenraum begrenzen, welcher mit dem Medium gefüllt ist, sodass die innere Oberfläche eine Grenzfläche mit dem Medium bildet. Insbesondere ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass die innere Oberfläche des Wellenleiters die dem Medium zugewandte Oberfläche des Substrats umfasst. Des Weiteren ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das Medium durch den Innenraum des bereitgestellten Wellenleiters strömt und dass die gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Mediums die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch den Wellenleiter in einem bestimmten Bereich des Wellenleiters ist.
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Dieser bestimmte Bereich des Wellenleiters ist insbesondere durch die Geometrie und die Anordnung des Senders und des Empfängers bestimmbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Innenraum des bereitgestellten Wellenleiters in dem Bereich des Wellenleiters, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch den Wellenleiter ermittelt wird, eine im Wesentlichen konstante Größe der Querschnittsfläche aufweist, durch die das Medium strömt. Es kann vorgesehen sein, dass die innere Oberfläche des bereitgestellten Wellenleiters hinreichend glatt ausgebildet ist, um Verwirbelungen des Mediums beim Vorbeiströmen an der Oberfläche durch Wechselwirkung mit der inneren Oberfläche im Wesentlichen zu vermeiden. Hierdurch soll die Bildung von Turbulenzen durch die Wechselwirkung des Mediums mit der inneren Oberfläche beim Vorbeiströmen vermieden werden.
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In einer Ausführungsvariante sind der Wellenleiter und seine innere Oberfläche so ausgebildet, dass die innere Oberfläche im Wesentlichen hohlzylinderförmig, insbesondere hohlkreiszylinderförmig, ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der bereitgestellte Wellenleiter eine Querschnittsfläche des Innenraumes aufweisen, die kreisförmig, ellipsenförmig, oval oder vieleckig, insbesondere rechteckig, ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Innenraum beim Durchströmen des Mediums durch den Innenraum im Wesentlichen vollständig mit dem Medium gefüllt ist. In einer Ausführungsvariante ist auf oder in dem Substrat zum Anregen akustischer Oberflächenwellen der Sender und/oder zum Empfangen der Oberflächenwellen der Empfänger angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sowohl der Empfänger als auch der Sender in oder auf dem Substrat angeordnet sind. Ob die Anordnung in oder auf dem Substrat erfolgt, ist abhängig von der Fertigungsart des Empfängers und des Senders bzw. des Substrats.
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In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwei Substrate bereitgestellt werden und dass der Sender auf oder in dem einen Substrat und der Empfänger auf oder in dem anderen Substrat angeordnet ist. In einer Ausführungsvariante handelt es sich bei den im Medium ausbreitenden Wellen um Volumenwellen, insbesondere kann es sich bei den im Medium ausbreitenden akustischen Wellen ausschließlich um Volumenwellen handeln. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Medium in Form einer Flüssigkeit oder eines weichen Materiales vorliegt.
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In einer Ausführungsvariante breiten sich mehrere der Wellenzüge, deren Eigenschaften der Ausbreitung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt werden, auf Ausbreitungspfaden aus, die zumindest entlang eines Pfadabschnittes im Wesentlichen miteinander übereinstimmen, wobei sich die Wellenzüge in entgegen gesetzten Richtungen entlang dieses Pfadabschnittes ausbreiten. Dieser Pfadabschnitt erstreckt sich in dem Volumen, durch das das Medium strömt. Dabei kann sich der Pfadabschnitt in den Innenraum des Wellenleiters erstrecken und es können sich die im Medium ausbreitenden akustischen Wellen an Interaktionsstellen mit dem Wellenleiter an der inneren Oberfläche als Grenzfläche wechselwirken.
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In einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass mehrere der Wellenzüge, deren Eigenschaften der Ausbreitung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt werden, sich auf Ausbreitungspfaden ausbreiten, die zumindest entlang aller im Medium verlaufenden Pfadabschnitte miteinander übereinstimmen und sich die Wellenzüge in jeweils entgegen gesetzten Richtungen entlang dieser Pfadabschnitte ausbreiten. Dieser Fall entspricht der Ausbreitung von Wellenzügen entlang eines durch das Medium verlaufenden Ausbreitungspfades, einmal in die eine und einmal in die entgegen gesetzte Richtung.
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Es ist dabei in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass sich der oder die Pfadabschnitte, entlang derer sich die Wellenzüge im Medium ausbreiten, jeweils an einer inneren Oberfläche des Wellenleiters, die als Grenzfläche zum Medium ausgebildet ist, mit dem Wellenleiter an diese Oberfläche wechselwirkt. Eine solche Wechselwirkung kann insbesondere in einer Umwandlung von akustischer Energie des Mediums in akustischer Energie des Wellenleiters, insbesondere eines Substrats, das Teil des Wellenleiters ist, bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann akustische Energie des Wellenleiters aufgrund dieser Wechselwirkung in akustische Energie der sich im Medium ausgebreiteten Welle umgewandelt werden.
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In einer Ausführungsform umfassen der Sender und/oder der Empfänger einen Wandler, insbesondere einen Interdigitalwandler. Es ist in bestimmten Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass der Sender und/oder der Empfänger als kombinierte Sender-/Empfängereinheit ausgebildet sind. Dies kann in dem Fall, in dem Sender und/oder Empfänger einen Interdigitalwandler umfassen dadurch geschehen, dass der Interdigitalwandler sowohl zeitweise in einem Sendermodus als Sender als auch zeitweise in einem Empfängermodus als Empfänger betrieben wird. Hierdurch ist es möglich, bei der Durchführung des Verfahrens mehrere Sender-/Empfängereinheiten vorzusehen, die jeweils zeitweise im Sendermodus als Sender und zeitweise im Empfängermodus als Empfänger betrieben werden. Hierbei ist vorgesehen, dass das Betreiben der Sender-/Empfängereinheiten im Sendermodus und im Empfängermodus zeitlich aufeinander abgestimmt ist.
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In einer Ausführungsvariante werden akustische Oberflächenwellen durch eine im Sendermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit angeregt, wobei sich im Medium ausbreitende akustische Wellen durch Umwandlung zumindest eines Teils der Energie dieser Oberflächenwellen in Energie der sich im Medium ausbreitenden akustischen Wellen angeregt werden. Dies geschieht dergestalt, dass mehrere Wellenzüge zwischen dem Sender und einer im Empfängermodus betriebenen weiteren Sender-/Empfängereinheit sich auf einem zumindest teilweise durch das Medium verlaufenden Ausbreitungspfad ausbreiten. Nach dem Empfang der Wellenzüge an der im Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit ist vorgesehen, dass die im Empfängermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit auf den Sendermodus umgeschaltet wird und die im Sendermodus betriebene Sende-Empfänger-Einheit auf den Empfängermodus umgeschaltet wird. Hierdurch wird erreicht, dass nunmehr akustische Oberflächenwellen durch die im Sendermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit, die vormals im Empfängermodus betrieben wurde, auf einer dem Medium zugewandten Oberfläche des Substrats angeregt wird. Dadurch werden sich im Medium ausbreitende akustische Wellen angeregt, sodass sich nunmehr Wellenzüge zwischen dieser im Sendemodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit, die vormals im Empfängermodus betrieben wurde, und der vormals im Sendermodus und nunmehr im Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit auf zumindest teilweise durch das Medium verlaufenden Ausbreitungspfaden ausbreiten.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass mehr als zwei Sender-/Empfängereinheiten in einem solchen (sogenannten) Multiplexmodus betrieben werden. Ein Multiplexmodus zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei der Sender-/Empfängereinheiten jeweils zeitweise im Sendermodus und jeweils zeitweise im Empfängermodus betrieben werden. Es wird also hierdurch erreicht, dass sich zwischen den räumlich beabstandet zueinander angeordneten Sender-/Empfängereinheiten akustische Wellenzüge in unterschiedlichen Richtungen während der unterschiedlichen Betriebsmodi Wellenzüge ausbreiten, sodass das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird.
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Bei der Anregung mehrerer sich in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausbreitender Wellenzüge, die jeweils wenigstens eine Welle umfassen, die in einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung bzw. in Gegenrichtung der Strömung des Mediums aufweist, und deren Ausbreitungseigenschaften zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums herangezogen werden, ist in einer Variante vorgesehen, dass diese Wellenzüge nacheinander angeregt werden, dass also zuerst der eine Wellenzug angeregt wird und hernach der andere Wellenzug angeregt wird. Dies kann dergestalt erfolgen, dass zuerst der erste Wellenzug am Empfänger empfangen wird und dann erst der zweite Wellenzug angeregt wird. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die beiden Wellenzüge gleichzeitig angeregt werden oder dass zuerst der eine Wellenzug und nach einem Verstreichen eines gewissen Zeitabschnittes der zweite Wellenzug angeregt wird, während der erste Wellenzug zumindest für einen gewissen Zeitabschnitt gemeinsamer Anregung angeregt wird.
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In einer Ausführungsvariante des Verfahrens werden mehrere Empfänger voneinander beabstandet angeordnet bereitgestellt, sodass Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines sich zwischen einem Sender und einem ersten Empfänger ausbreitenden Wellenzuges und wenigstens eines weiteren sich zwischen den gleichen oder einem anderen Sender und dem zweiten Empfänger ausbreitenden Wellenzuges gemessen werden, wobei einer der Wellenzüge eine Welle umfasst, die in einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweist und der andere der Wellenzüge eine Welle umfasst, die in einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömung des Mediums aufweist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere voneinander beabstandet angeordnete Empfänger die von einem gleichen Sender in unterschiedliche Richtungen angeregten, sich ausbreitenden Wellenzügen empfangen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die in unterschiedliche Richtungen sich ausbreitenden, vom ersten Sender angeregten, Wellenzüge zur gleichen Zeit angeregt werden, insbesondere in einem sich überschneidenden Zeitabschnitt.
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Es ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass wenigstens einer der mehreren Wellenzüge, deren Eigenschaften der Ausbreitung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt wird, eine sich im Medium entlang eines Ausbreitungspfades ausbreitende Welle umfasst, die sich im Medium entlang mehrerer Pfadabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren ausbreitet, wobei jeder der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren eine Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass verschiedene Pfadabschnitte dadurch entstehen, dass die sich im Medium ausbreitende Welle an der Oberfläche eines Wellenleiters, die dem Medium zugewandt ist, mit diesem wechselwirkt und dort zum Teil reflektiert wird, sodass sie ihre Ausbreitungsrichtung und damit ihren Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor ändert.
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Analog ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass wenigstens einer der mehreren Wellenzüge, deren Eigenschaft der Ausbreitung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelt werden, eine sich im Medium entlang eines Ausbreitungspfades ausbreitende Welle umfasst, die sich im Medium entlang mehrerer Pfadabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren ausbreitet, wobei jeder der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren eine vektorielle Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung der Strömung des Mediums aufweist.
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Eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit wird in einer Ausführungsvariante durch wiederholte Messung der Strömungsgeschwindigkeit zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Zeitintervallen ermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, Beschleunigungen des strömenden Mediums zu ermitteln und/oder ein Profil der zeitlichen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zu erstellen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird wenigstens einer der akustischen Wellenzüge in Form eines Wellenpulses, insbesondere eines Wellenpakets, vom Sender angeregt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgebildet sein, dass es wenigstens eine Kalibrierung umfasst. Eine Kalibrierung ist in einem Ausführungsbeispiel eine Messung der Laufzeiten wenigstens eines Wellenzuges bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums mit bekannter Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im (gedachten) Ruhesystem des Mediums, das den Wellenleiter durchströmt, um das Verfahren für eine Messung einer unbekannten Strömungsgeschwindigkeit desgleichen Mediums zu kalibrieren.
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Eine weitere – hiervon unabhängige – Kalibrierungsmessung umfasst die Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines Wellenzuges, insbesondere eine Laufzeitmessung, bei bekanntem Massenstrom des Mediums, um das Verfahren für die Messung eines unbekannten Massenstroms des Mediums zu kalibrieren.
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Es ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Kalibrierung umfasst, bei der bei bekannter Dichte des Mediums oder bei bekannter Konzentration einer im Medium enthaltenen Substanz Eigenschaften der Ausbreitung wenigstens eines Wellenzuges, insbesondere z. B. einer Laufzeitverzögerungsmessung, ermittelt werden, um das Verfahren für die Messung einer unbekannten Dichte des Mediums und/oder einer unbekannten Konzentration einer im Medium enthaltenen Substanz zu kalibrieren.
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Bei den Ausführungsvarianten, in denen das Verfahren eine Kalibrierung umfasst, kann diese Kalibrierung auch in der Bestimmung einer Kalibrierungsfunktion bestehen, d. h. in der Bestimmung eines funktionalen Zusammenhanges zwischen gemessenen Eigenschaften der Ausbreitung von Wellenzügen und der zu bestimmenden Messgröße. Insbesondere z. B. eines funktionalen Zusammenhanges zwischen Laufzeitverzögerungsmessung und Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Dieser funktionale Zusammenhang kann z. B. in Form von Kalibrierungskurven dargestellt werden. Daher umfasst das Verfahren in diesen Ausführungsvarianten die Bestimmung von Kalibrierungskurven.
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Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass das Verfahren nach einer erstmaligen werkseitigen Kalibrierung der Auswerteinheit zur Auswertung der beim Empfang der Wellenzüge am Empfänger erzeugten Signale eine Messung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ohne weitere Kalibrierungen durchführbar ist.
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In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist wenigstens ein Sender beim Anregen der Oberflächenwellen zwischen zwei Empfängern bezüglich der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters angeordnet. Hierbei ist bei der Durchführung des Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel der Sender auf der äußeren Oberfläche des Wellenleiters so angeordnet, dass er nicht auf der Geodäte zwischen den zwei Empfängern angeordnet ist. Hierdurch können bei geeigneter Wahl der geometrischen Ausbildung des Innenraumes, durch den das Medium strömt, für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit besonders vorteilhafte Ausbreitungspfade der sich zwischen dem Sender und den Empfängern ausbreitenden Wellenzuge im Medium vorbestimmt werden.
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In bestimmten Ausführungsvarianten des Verfahrens ist der Wellenleiter so ausgebildet, dass die Strömungsrichtung des Mediums im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters verläuft. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Wellenleiter parallel zur Strömungsrichtung in einem Strömungskanal angeordnet wird, sodass das Medium den vom Wellenleiter umschlossenen Innenraum durchströmt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Medium in eine erste Öffnung des Innenraumes einströmt und aus einer weiteren Öffnung des Innenraumes ausströmt.
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Alternativ können auch mehr als eine Einströmöffnung bzw. mehr als eine Ausströmöffnung vorgesehen sein.
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Im Allgemeinen werden die sich im Medium ausbreitenden Wellen, also insbesondere die Volumenwellen, dabei in das Medium unter einem Winkel Δ bezüglich der auf der Innenfläche des Wellenleiters stehenden Normalen eingekoppelt. Im ruhenden Medium gilt die Relation Δ = arcsin(CM/CS). Hierbei ist CM die Schallgeschwindigkeit der sich im Medium ausbreitenden Volumenwelle und CS die Geschwindigkeit der sich entlang der inneren Oberfläche des akustischen Wellenleiters ausbreitenden Oberflächenwelle.
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Verlaufen die inneren Oberflächen des Wellenleiters im Querschnitt zueinander parallel und sind im Wesentlichen im Querschnitt entlang einer Linie ausgebildet, was insbesondere dann der Fall ist, wenn die inneren Oberflächen plan sind oder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, und verläuft die Strömungsgeschwindigkeit parallel zu diesen inneren Oberflächen, so ergibt sich hierdurch ein Winkel α = 90° – Δ zwischen dem Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor der ins Medium angekoppelten Volumenwelle und der Strömungsrichtung des Mediums.
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Es ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das Medium in Form einer Flüssigkeit oder eines weichen Materials vorliegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Medium aus einem Öl. Es kann auch aus einem Gemisch oder Gemenge bestehen. Insbesondere kann es ein Ölgemisch oder ein Ölgemenge umfassen. Es kann sich bei dem Medium auch um eine Suspension handeln. In einer Ausführungsvariante kann das Medium auch mitströmende Partikel, insbesondere Festkörperpartikel, oder mitströmende Blasen umfassen. Diese mitströmenden Partikel oder mitströmenden Blasen können in einem Schritt des Verfahrens eingebracht oder erzeugt worden sein, um das Verfahren vorteilhafter durchführbar zu machen. In bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Medium auch gasförmig vorliegen. Das Verfahren ist insbesondere weitgehend unabhängig davon anwendbar, in welchem Aggregatzustand das Medium oder Teile des Mediums vorliegen. Es beruht auf der Erkenntnis, dass sich die im Medium erzeugten Wellen zwischen Sender und Empfänger zumindest teilweise durch ein strömendes Medium ausbreiten können.
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In einer Ausführungsvariante ist ein Wellenleiter vorgesehen, bei dem die Dicke d eines Substrats des Wellenleiters, definiert als der Abstand der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche, so ausgebildet ist, dass gleichlaufende akustische Oberflächenwellen sowohl auf der inneren als auch der äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeregt werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass es sich bei diesen Oberflächenwellen beim erfindungsgemäßen Verfahren ausschließlich um Lambwellen handelt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Dicke d so gewählt ist, dass die angeregten akustischen Oberflächenwellen aus einem Übergangsbereich von Lamb- und Rayleigh-Wellen stammen.
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Prinzipiell ist es auch möglich, die Dicke des Wellenleiters so auszubilden, dass er ausschließlich mit Rayleigh-Wellen betrieben wird.
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Das vorgestellte Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit – sowie in bestimmten Ausführungsvarianten zur Bestimmung der Dichte und des Volumen- und Massenstromes – zeichnet sich dadurch aus, dass dieser während der Strömung des Mediums und nicht erst danach gemessen wird. Außerdem kann eine zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zeitnah ermittelt werden, da die Messung der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere durch Messung der Laufzeiten von Wellenzügen zwischen Sender und Empfänger erfolgt.
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Die Größe der zeitlichen Skala der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, die mit dem Verfahren erfasst werden kann, ist also durch die Laufzeit der Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger bestimmt.
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Ein solches Sensorverfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und Dichte kann zur präziseren und damit effizienteren Regelung von Prozessen z. B. in der chemischen Prozessindustrie, in der Lebensmitteltechnik, in den Life-Science oder der Medizintechnik eingesetzt werden. Hierbei ist auch eine Rückkoppelung denkbar, also eine Steuerung der jeweiligen Prozesse in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. vom Massenstrom, die wiederum die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Massenstrom bestimmen. Außerdem ist ein Einsatz des Verfahrens in allen Bereichen möglich, in denen eine wenig invasive Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumenstromes und/oder des Massenstromes von Vorteil ist. Bei alternativen nicht akustischen Verfahren müssen nämlich z. B. Wärmedrähte oder Flügelräder hierfür in den Strom des Mediums eingebracht werden, was gerade bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten den Strom nicht unwesentlich beeinflusst.
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In einer Ausführungsform kann der Wellenleiter durch das Rohr gebildet werden, durch das die Flüssigkeit gewöhnlich strömt. Dabei bildet dieses Rohr das Substrat.
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Das Verfahren zeichnet sich außerdem durch hohe mechanische Stabilität aus, da es bei verschiedensten Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten verlässlich betrieben werden kann. Auch das Vorhandensein von Gasblasen im Medium hindert eine verlässliche Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumenstromes und/oder des Massenstromes mit dem Verfahren nicht. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, insbesondere einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 45.
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Danach wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums bereitgestellt, die ein Substrat mit einer dem Medium zugewandten Oberfläche umfasst, wobei die Oberfläche relativ zum Medium so angeordnet ist, dass akustische Wellenenergie von der Oberfläche auf das Medium übertragen werden kann und umgekehrt.
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Die Vorrichtung umfasst einen Sensor zum Anregen akustischer Wellenenergie, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, auf dem Medium akustische Oberflächenwellen anzuregen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung einen zum Empfang akustischer Wellen vorgesehen und eingerichteten Empfänger, wobei das Substrat, das Medium, der Sender und der Empfänger so eingerichtet, vorgesehen und relativ zueinander angeordnet sind, dass sich durch den Sender angeregte akustische Wellenzüge zum Empfänger auf zumindest teilweise durch das Medium verlaufenden Ausbreitungsfaden ausbreiten können, und eine Auswerteinrichtung, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, Eigenschaften der Ausbreitung der akustischen Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger mittels der am Empfänger beim Empfang der Wellenzüge erzeugter Signale zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und der Empfänger so betreibar sind, dass sich zwischen ihnen mehrere Wellenzüge ausbreiten, wobei einer der Wellenzüge eine Welle umfasst, die einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums hat, und eine anderer der Wellenzüge eine sich im Medium ausbreitende Welle umfasst, die zumindest in einem Pfadabschnitt entlang ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömung des Mediums hat, und die Auswerteinheit dazu vorgesehen und eingerichtet ist, zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums Eigenschaften der Ausbreitung der sich in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausbreitenden Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger auszuwerten.
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Die im Folgenden angeführten vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums sind in analoger Weise auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums anzuwenden und umgekehrt.
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In einer Ausführungsvariante ist das bereitgestellte Substrat einteilig mit einem dem Sensor und/oder dem Empfänger aufnehmenden Gehäuse ausgebildet. Hierbei berandet die äußere Oberfläche des bereitgestellten Substrates einen Hohlraum des Gehäuses, in dem der Sensor und/oder der Empfänger aufgenommen sind.
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In einer Ausführungsvariante weist der Hohlraum wenigstens eine Einführöffnung auf, über die der Sender und/oder Empfänger in das Innere des Hohlraums einführbar sind. Die Vorrichtung kann einen ein oder mehreren Substrate umfassenden Wellenleiter umfassen, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, die einen Innenraum begrenzen, welcher mit dem Medium gefüllt ist, sodass die innere Oberfläche eine Grenzfläche mit dem Medium bildet. Der Wellenleiter kann dazu vorgesehen und eingerichtet sein, dass das Medium durch den Innenraum des bereitgestellten Wellenleiters strömen kann und dass die zumessende Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, die Strömungsgeschwindigkeit durch den Wellenleiter in einem festgelegten Bereich des Wellenleiters ist. Hierbei ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass der Innenraum des bereitgestellten Wellenleiters in dem Bereich des Wellenleiters, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch den Wellenleiter ermittelt wird, eine im Wesentlichen konstante Größe der Querschnittsfläche aufweist, durch die das Medium strömt.
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In einer Ausführungsvariante ist die Auswerteinheit dazu vorgesehen und eingerichtet, zur Bestimmung des Volumenstromes und/oder des Massenstromes des Mediums Eigenschaften der Ausbreitung der sich in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausbreitenden Wellenzüge zwischen dem Sender und dem Empfänger auszuwerten Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung;
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2 ein schematischer Ausschnitt des in 1 abgebildeten ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung und eine Illustration der Durchführung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung;
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3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung und eine Illustration der Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens;
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4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung und eine Illustration eines dritten Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung.
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In der geschnittenen Ansicht der 1 ist ein akustischer Wellenleiter mit zwei Substraten 1, 1' als Leitelement des Wellenleiters abgebildet. Die Substrate 1, 1', die einander gegenüberliegen und deren aufeinander zuweisende plattenförmige Oberflächen 11, 21 parallel zueinander entlang der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters verlaufen, sind aus einem nicht piezoelektrischen Material hergestellt.
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Diese Substrate liegen sich in einem Abstand a gegenüber und sind vorliegend durch im Abstand a gegenüberliegende Platten berandet, die einen (kanalförmigen) Innenraum 5 des Wellenleiters bilden, in dem ein zu vermessendes Medium M, das durch wellenförmige Linien schematisch dargestellt ist, eingefüllt ist, das durch den Innenraum 5 hindurchströmen kann. Die Strömungsrichtung des flüssigen, beziehungsweise fleißfähigen, Mediums M durch den Innenraum 5 ist grundsätzlich beliebig, vorliegend erfolgt eine Durchströmung parallel zu den inneren Oberflächen 11, 21 von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung entlang der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile an der Auslass- beziehungsweise Einlassöffnung angezeigt. Die beiden Substrate 1 und 1' des Wellenleiters der Vorrichtung sind integral mit einem Gehäuse G1, G2 des Wellenleiters gefertigt, das sowohl einen Sender S, der als im Sendermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit SE1 ausgebildet ist, im Gehäuseabschnitt G2 als auch einen in Form einer im Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit ausgebildeten Empfänger E im Gehäuseabschnitt G2, umfasst.
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Die Gehäuseabschnitte G1 und G2 des Gehäuses sind dabei in der vorliegenden Schnittansicht zueinander symmetrisch ausgebildet. Die Substrate 1 und 1' weisen jeweils eine innere Oberfläche 11 beziehungsweise 21 auf, die jeweils dem Innenraum 5 mit dem Medium M zugewandt sind und jeweils eine Grenzfläche mit dem Medium M ausbilden. Innerhalb eines jeden Gehäuseabschnittes G1 und G2 ist weiterhin ein innen liegender, vollständig umschlossener Hohlraum H1 beziehungsweise H2 gebildet, dem jeweils eine äußere Oberfläche 12 beziehungsweise 22 der Substrate 1 beziehungsweise 1' zugewandt ist. Die äußere Oberfläche 12, 22 liegt der inneren Oberfläche 11 beziehungsweise 21 der jeweiligen Substrate 1 beziehungsweise 1' gegenüber und bildet eine Seitenwand des jeweiligen Hohlraums H1 beziehungsweise H2. Innerhalb des an das erste Substrat 1 angrenzenden Hohlraums H1 ist der Empfänger E angeordnet. Bei dem Empfänger handelt sich um einen piezoelektrischen Wandler mit interdigitalen Elektronen, der auf der äußeren 12 des Substrats 1 befestigt ist. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung des Empfängers E, SE2 durch Kleben, sodass dieser einfach und zügig zu montieren ist. Alternativ können auch andere Befestigungsarten vorgesehen sein.
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Der Sender S ist in dem an das Substrat 1' angrenzenden Hohlraum H2 angeordnet und ist an der äußeren Oberfläche 22 dieses Substrats 1' befestigt. Dabei befindet sich der Sender S, SE1 im Bereich eines ersten Endes des Wellenleiters, während der Empfänger E, SE2 im Bereich eines anderen, zweiten Endes des Wellenleiters angeordnet ist und sich der Wellenleiter in der dargestellten Querschnittsansicht zwischen diesen beiden Enden entlang einer Haupterstreckungsrichtung erstreckt.
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Über den Sender werden akustische Oberflächenwellen OW2 in dem Substrat 1' erzeugt, insofern dem Sender S, SE1 elektrische Energie durch Bestromung zugefügt wird. Ein Teil dieser Energie dieser erzeugten akustischen Oberflächenwellen OW2 wird an der Grenzfläche der inneren Oberfläche 21 als Volumenschallwelle VW1 in das Medium M eingekoppelt beziehungsweise in Volumenschallwellen VW1 des Mediums M umgewandelt.
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Die Ausbreitung der Volumenschallwelle ist – wie auch in den anderen Figuren – schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Ausbreitungsrichtung der betreffenden Volumenschallwelle ist in den 1 und 3 durch einen Pfeil auf dieser gestrichelten Linie und in den 2 und 4 durch jeweils zwei gegenläufige Pfeile neben den gestrichelten Linien dargestellt. Gegenläufige Pfeile bedeuten, dass die Volumenwellen sich entlang der jeweiligen durch die gestrichelten Linien repräsentierten Pfadabschnitte in einem Betriebsmodus der Vorrichtung in die eine und in einem anderen Betriebsmodus der Vorrichtung in die andere Richtung ausbreiten: Der Betrieb der Vorrichtung in unterschiedlichen Betriebsmodi wird in Zusammenhang mit der Beschreibung der 2 und 4 ausführlich erläutert werden.
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Die beiden Platten, die die innere Oberfläche 12, 21 der Substrate 1, 1' bilden, bestehen vorzugsweise aus einem nicht piezoelektrischen Material und weisen eine Dicke d auf, die als der Abstand der inneren Oberflächen 11, 21 zur äußeren Oberfläche 12 beziehungsweise 22 definiert ist. Vorliegend ist die Dicke d kleiner oder gleich der Wellenlänge der erzeugten akustischen Oberflächenwellen OW2. Gegebenenfalls weisen damit die akustischen Oberflächenwellen OW2, die sich innerhalb der Platten der Substrate 1, 1' ausbreiten, Welleneigenschaften (oder Wellentypen im Übergangsbereich von Lambwellen und Rayleigh-Wellen) auf, die sich sowohl entlang der inneren Oberflächen 11, 21 als auch entlang der äußeren Oberflächen 12, 22 der jeweiligen Platten der Substrate 1, 1' ausbreiten. In Abhängigkeit der Dicke d der Platten der Substrate 1, 1' werden die akustischen Oberflächenwellen im Wesentlichen in Form von Lambwellen (d kleiner als die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen) oder in Form von Wellen aus dem Übergangsbereich zwischen Lambwellen und Rayleigh-Wellen (d gleich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen) vorliegen. In jedem Fall breiten sich die akustischen Oberflächenwellen entlang beider Oberflächen 11, 12 beziehungsweise 21, 22 den Platten der Substrate 1 beziehungsweise 1' aus.
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Wie in der 1 veranschaulicht, verlaufen die akustischen Oberflächenwellen OW2 damit ausgehend von dem Sender S, SE1 entlang der Erstreckungsrichtung der ersten Platte des Substrats 1'. Ein Teil der Schallwellenenergie der entlang der inneren Oberfläche 21 des Substrats 1' laufenden akustischen Oberflächenwellen OW2 wird in das innerhalb des Innenraums 5 befindliche Medium M eingekoppelt, sodass Volumenschallwellen VW1 innerhalb des Mediums M erzeugt werden. Dabei ist eine Ausbreitungsrichtung dieser eingekoppelten Volumenschallwellen VW1 um einen charakteristischen Winkel Δ, der nicht eingezeichnet ist, relativ zu der Normalen auf der flachen Oberfläche 21 geneigt. Sobald die Volumenschallwelle VW1 an der inneren Oberfläche 11 der gegenüberliegenden Platte des anderen Substrats 1 angelangt ist, wird ein Teil ihrer Energie in das Substrat 1 eingekoppelt, sodass hierin akustische Oberflächenwellen OW1, beispielsweise in Form von Lambwellen oder Oberflächenwellen im Übergangsbereich von Lambwellen und Rayleigh-Wellen, zu erzeugt werden, die sich entlang des Substrats 1 ausbreiten.
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Die Volumenwellen 1 breiten sich entlang eines Pfades P1 im Medium M aus. Dieser Pfad lässt sich in verschiedene durch gestrichelte Linien dargestellte Abschnitte PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA6, PA7 unterteilen. Jeder dieser Pfadabschnitte verläuft zwischen dem einen Substrat 1' und dem anderen Substrat 1. zu jedem Zeitpunkt, an dem die Volumenwelle VW1 an der inneren Oberfläche 11 oder 21 eines der Substrate 1, 1' angelangt, wechselwirkt diese Schallwelle mit dem entsprechenden Substrat 1, 1'. Hierbei tritt in der Regel ein Energieaustausch von akustischer Energie zwischen dem Substrat, insbesondere der Oberflächenwelle des jeweiligen Substrates und der Schallwelle auf. Die Schallwelle wird zumindest zum Teil reflektiert und ändert dabei ihre Ausbreitungsrichtung. Besteht die Wechselwirkung in einer Einkopplung von Energie aus der Volumenwelle VW1 in die betreffende Oberflächenwelle OW1, so wird die Amplitude der Oberflächenwelle durch diese Einkopplung erhöht und die Amplitude der Volumenwelle VW1 nimmt ab. Es kann alternativ auch in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Substrats und des Mediums, sowie der Welle eine Einkopplung von Energie der Oberflächenwelle in die Volumenwelle erfolgen.
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Durch die Wechselwirkung der Volumenwelle VW1 mit den Substraten 1, 1' entlang ihres Pfades sind Interaktionsstellen definiert, an denen die Volumenwelle mit dem Substrat 1, 1' und den in den Substraten 1, 1' auftretenden Oberflächenwellen OW1, OW2 wechselwirkt.
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Insgesamt breiten sich somit von Wellenzügen umfasste Volumenwellen VW1 auf einen im Wesentlichen zickzackförmigen Ausbreitungspfad P1 im Medium zwischen dem Sender S, SE1 und dem Empfänger E, SE2 entlang der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters aus. Aufgrund der Wechselwirkung der Volumenwelle VW1 mit dem Substrat 1 an der Oberfläche 11 kommt es zur Anregung der Oberflächenwellen OW1, die sich auf dem Substrat 1 ausbreiten und schließlich am Empfänger E, SE2 empfangen werden. Zwischen den Interaktionsstellen, also denjenigen Stellen, an denen die Volumenwellen VW1 mit dem Substrat 1' wechselwirken, breiten sich die Oberflächenwellen OW1 ohne Verstärkung aus, erfahren aber an der darauffolgenden Interaktionsstelle (unter Umständen) eine weitere Verstärkung. Durch die Messung der am Empfänger E eintreffenden Wellenzüge, insbesondere der Oberflächenwelle OW1, die durch Wechselwirkung mit der Volumenwelle VW1 angeregt wurde, kann die Laufzeit von Wellenzügen zwischen dem Sender S, SE1 und E, SE2 ermittelt werden.
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So können aus nacheinander an dem Empfänger E eintreffender akustischer Oberflächenwellen OW2 (beziehungsweise Gruppen von Oberflächenwellen OW2) auf die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Mediums M rückgeschlossen werden, insbesondere wenn die Laufzeit der Wellenzüge zwischen dem Sender S, SE1 und dem Empfänger E, SE2 bestimmt wird. Da die gemessenen Laufzeiten der an die Volumenschallwelle VW1 an den jeweiligen Interaktionsstellen gekoppelten akustischen Oberflächenwellen OW1 von den Eigenschaften des Mediums M beeinflusst wird, können derart durch die Auswerteinheit an die die Signale des Empfängers E weitergeleitet werden und die nicht dargestellt ist, physikalische und/oder chemische Eigenschaften des zu vermessenden Mediums M bestimmt werden.
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In 2 ist eine geschnittene Ansicht eines Teils der in 1 gezeigten Vorrichtung abgebildet. Auf die Darstellung der vollständigen Schnitte durch die Gehäuseteile G1, G2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Figur zeigt schematisch wie die Vorrichtung dazu verwendet wird, um ein Verfahren durchzuführen, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit und der Massenstrom des Mediums, der durch den Wellenleiter strömt, bestimmt wird.
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Bei dem Verfahren wird zuerst der bereits in Zusammenhang mit 1 beschriebene Verfahrensschritt durchgeführt. Hierbei dient die Sender-/Empfängereinheit SE1, die auf der Oberfläche 22 des Substrats 1' bereitgestellt wird, als Sender S zum Erzeugen akustischer Wellen. Es werden akustische Oberflächenwellen OW2 durch den Sensor auf dem Substrat 1' angeregt, insbesondere auf der dem Medium M zugewandten Oberfläche 21. hierbei wird zumindest ein Teil der Energie der akustischen Oberfläche OW1 des Substrats 1' in Energie der sich im Medium ausbreitenden akustischen Wellen VW1 umgewandelt, sodass sich im Medium ausbreitende akustische Volumenwellen VW1 angeregt werden.
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Diese läuft auf einem Pfadabschnitt PA1 vom Substrat 1' unter dem (nicht abgebildeten) Winkel Δ relativ zur Normalen auf der Oberfläche 21 durch das Medium M und trifft in einem ersten Interaktionsbereich der Volumenwelle VW1 auf die Oberfläche 11 des Substrats 1, in dem sie eine Oberflächenwelle OW1 anregt. Dabei wird die Volumenwelle VW1 zumindest zum Teil reflektiert und breitet sich hernach auf dem Pfadabschnitt PA2 aus bis sie an einer weiteren Interaktionsstelle nunmehr mit dem Substrat 1' wechselwirkt und dort Energie mit der Oberflächenwelle OW2 austauscht. Hier kommt es wiederum zu einer wenigstens teilweisen Reflexion der Volumenwelle VW1, die dann wiederum an einer weiteren Interaktionsstelle mit dem Substrat 1 wechselwirkt und sofort. Bei der Wechselwirkung mit dem Substrat 1 an der Oberfläche 11 des Substrats, die dem Medium M zugewandt ist, kommt es zu einem Energieaustausch zwischen der Volumenwelle VW1 und der Oberflächenwelle OW1 auf dem Substrat 1.
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Die auf dem Substrat 1 angeregte Oberflächenwelle OW1, die an den verschiedenen Interaktionsstellen mit der Volumenwelle VW1 des Mediums M wechselwirken, breiten sich entlang der Oberfläche 11, 12 des Substrats 1 aus und treffen auf den in Empfängermodus betriebenen Sender SE2. Beim Auftreffen der akustischen Wellenzüge, insbesondere der Oberflächenwelle OW1, auf den in Empfängermodus betriebenen Empfänger SE2 werden an Empfänger SE2 Signale erzeugt. Aus diesen Signalen kann eine Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung der akustischen Wellenzüge zwischen den in Sendermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE1 und der in Empfängermodus betriebenen Empfängereinheit SE2 erfolgen.
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Wichtig ist, dass die Volumenwellen VW1 auf ihrem durch das Medium verlaufenden Ausbreitungspfad jedem ihrer durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitte PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA6, PA7 ihres Ausbreitungspfades P1, einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums M aufweisen. Insbesondere wird hierdurch der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Volumenwellen in der Flüssigkeit der Betrag VFL cosα addiert, wobei α der Winkel zwischen dem Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor und der Strömungsrichtung des Mediums ist. Vorliegend ist, da die Strömung parallel zu den plattenförmig ausgebildeten inneren Oberflächen der Substrate verläuft, dieser Winkel durch 90° – Δ gegeben ist und VFL ist die Strömungsgeschwindigkeit.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun die Vorrichtung in einem sogenannten Multiplexmodus betrieben, d. h., dass nunmehr die vormals im Empfängermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit SE2 im Sendermodus betrieben wird und die vormals im Sendermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit SE1 im Empfängermodus betrieben wird. Dabei wird eine akustische Oberflächenwelle durch die im Sendermodus betriebene Sender-/Empfängereinheit SE2 im Substrat 1 angeregt, wobei zumindest ein Teil der Energie der akustischen Oberflächenwelle OW1 das Substrat in Energie einer sich im Medium ausbreitenden akustischen Volumenwelle VW2 umgewandelt wird, die sich auf einem Ausbreitungspfad P2 von der Sender-/Empfängereinheit SE2 zur Sender-/Empfängereinheit SE1 durch das Medium ausbreitet. Hierbei kommt es wie bei der gegenläufigen Ausbreitung von Wellenzügen zwischen den Sender- und Empfängereinheiten zur Einkopplung von Energie in das Medium an der Grenzfläche von Substrat und Medium M. Insbesondere koppelt Energie der Oberflächenwelle OW1, die auf dem Substrat 1 angeregt wurde, in das Medium M ein, und es wird eine Volumenwelle VW2 angeregt, die sich zumindest teilweise durch das Medium M ausbreitet. Hierbei verlaufen die Volumenwellen VW2 entlang der durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitte PA7, PA6, PA5, PA4, PA3, PA2, PA1 in einem entgegen der vormaligen Richtung gerichteten Zickzack-Kurs zwischen Sender- und Empfängereinheit. Schematisch ist dies vorliegend in der 2 so dargestellt, dass die beiden Pfade P1 und P2 im Wesentlichen übereinstimmen, dass sich die Wellenausbreitung auf den Pfaden sich allerdings in den durch gegenläufige Pfeile angegebenen Ausbreitungsrichtungen entlang ihrer Pfadabschnitte PA1 bis PA7 unterscheidet.
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Dies ist in der abgebildeten Ausführungsvarianten des Verfahrens vorgesehen, es kann allerdings alternativ auch sein, dass die Pfadabschnitte versetzt zueinander angeregt werden, sodass die Pfade P1 und P2 nicht identisch übereinstimmen, sondern voneinander unterschiedlich verlaufen. Versetzt kann hierbei bedeuten, dass die zueinander versetzen Pfade relativ zueinander im Wesentlichen parallel liegen oder auch, dass die Pfade einen, im Allgemeinen kleinen, Winkel zueinander bilden. Eine solche Versetzung ist für eine erfolgreiche Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Dichte des Mediums und/oder des Massenstroms durch Anwendung des Verfahrens unwesentlich.
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Wie bereits dargelegt, kommt es an Interaktionsstellen zwischen den inneren Oberflächen 21 und 11 der Substrate 1 bzw. 1' und dem Medium zu Wechselwirkungen der Volumenwelle VW2 unter zumindest teilweiser Reflexion der Volumenwelle mit dem Substrat. Wichtig für den Erfolg des Verfahrens ist, dass durch die Umschaltung von Sender- und Empfängermodus der Sender-/Empfängereinheiten, die Laufrichtung der Volumenwelle VW1, VW2 entlang der Hauptausbreitungsrichtung des Wellenleiters umgekehrt wurde.
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Da die Strömungsrichtung des Mediums M unverändert bleibt, ergibt sich damit, dass sich bei der Ausbreitung von Wellenzügen zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE2 und der Sender-/Empfängereinheit SE1 diese Wellenzüge so ausbreiten, dass sie im Medium verlaufende Pfadabschnitte PA7 bis PA1 aufweisen, entlang derer sie einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor haben mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömung des Mediums.
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Durch eine Messung der Eigenschaften der Ausbreitung dieser Wellenzüge zwischen den beiden Sender-/Empfängereinheiten im Multiplexbetrieb wird sowohl die Ausbreitung von Signalen entlang von Wellenzügen, deren Volumenwellen VW1 sich mit der Strömung bewegen, als auch von Wellenzügen, deren Volumenwellen VW2 sich entgegen der Ausbreitungsrichtung der Strömung des Mediums bewegen, gemessen. Insbesondere ist durch eine Laufzeitmessung der Ausbreitung der Wellenzüge in diese beiden unterschiedlichen Richtungen es möglich, sowohl die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zu bestimmen als auch Informationen über die Schallgeschwindigkeit (im Bezugssystem des hohlen Mediums) zu gewinnen. Aus letzterer lassen sich Informationen über die Dichte bzw. die Konzentration von Substanzen im Medium M ableiten, sodass sowohl eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums M als auch der Dichte des Mediums M gleichzeitig möglich wird und somit der Massenstrom bestimmbar wird. Die Auswertung und damit Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Massenstroms wird mit einer nicht dargestellten Auswerteinheit vorgenommen, die am Empfänger beim Empfang von Wellenzügen erzeugte Signale empfängt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass – in ähnlicher Weise wie bereits im Zusammenhang mit der 1 erläutert – bei der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellenzügen im Medium bezüglich der Sender-/Empfängereinheit SE2 und der Sender-/Empfängereinheit SE1 von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen (bezüglich des Ruhesystems des Mediums) der Betrag VFL cosα abgezogen wird, sodass sich die Welle VW2 im Medium mit einer um diesen Betrag VFL cosα verringerten Geschwindigkeit bezüglich des Wellenleiters im Medium ausbreitet.
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3 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit. Analog zu der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung sind zwei Substrate 1 und 1' vorgesehen. Der relevante Unterschied zu dem in den 1 und 2 abgebildeten Wellenleiter ist, dass das Substrat 1' auf seiner dem Medium M abgewandten äußeren Oberfläche 22 zwei Sender-/Empfängereinheiten S1, S3 aufweist, die voneinander beabstandet auf der äußeren Oberfläche 22 des Substrats angeordnet sind.
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Hierbei ist zu beachten, dass entlang der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters diese Sender-/Empfängereinheiten so angeordnet sind, dass die Sender-/Empfängereinheit SE1 entlang der Haupterstreckungsrichtung auf dem Substrat 1' zwischen der auf dem Substrat 1' angeordneten Sender-/Empfängereinheit SE3 und der auf dem anderen Substrat 1 angeordneten Sender-/Empfängereinheit SE2 angeordnet ist. Bei der im folgenden beschriebenen Durchführung eines Verfahrens zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Massenstromes (und eventuell des Volumenstromes) eines Mediums M durch den Wellenleiter wird die Sender-/Empfängereinheit im Sendermodus und werden die Sender-/Empfängereinheiten SE3 und SE2 im Empfängermodus betrieben. Hierbei werden akustische Wellen, insbesondere akustische Oberflächenwellen auf dem Substrat 1' auf einer dem Medium M zugewandten Oberfläche 21, von der im Sendermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE1 angeregt.
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Die Oberflächenwellen OW3, OW2, die hierdurch angeregt werden und sich auf dem Substrat 1' ausbreiten, wechselwirken an der dem Medium M zugewandten Oberfläche 21 mit dem Medium M derart, dass sich wenigstens zwei im Medium ausbreitende akustische Volumenwellen VW1, VW2 durch Umwandlung zumindest eines Teils der Energie der akustischen Oberflächenwellen OW2 bzw. OW3 in Energie der sich im Medium ausbreitenden akustischen Volumenwellen VW1, VW2 umwandeln. Hierbei ist zu beachten, dass sich Wellenzüge, die die Volumenwellen VW2 umfassen, zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und der Sender-/Empfängereinheit SE2 ausbreiten und sich zusätzlich Wellenzüge, die Volumenwellen VW1 umfassen, zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und der Sender-/Empfängereinheit SE3 ausbreiten.
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Da die Sender-/Empfängereinheit SE1, die im Sendermodus betrieben wird, zwischen den beiden anderen Sender-/Empfängereinheiten SE3 und SE2 angeordnet ist, kommt es somit zu einer Ausbreitung von Wellenzügen, sowohl entlang der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters als auch in Gegenrichtung zur Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters.
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Die Wellenzüge, die sich entlang des Pfades P1 zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und der Sender-/Empfängereinheit SE2 ausbreiten, weisen durch gestrichelte Linien dargestellte Pfadabschnitte PA3, PA2 und PA1 auf, die sich im Medium zwischen den beiden Substraten 1' und 1 ausbreiten. Hierbei kommt es zu Wechselwirkungen an den Interaktionsstellen, an denen die Volumenwellen VW2 auf die innere Oberfläche der Substrate 1 bzw. 1' auftreffen. An diesen Wechselwirkungsstellen koppeln die Volumenwellen VW2 mit den Oberflächenwellen OW1 bzw. OW3. Trifft beispielsweise die Volumenwelle VW2, nachdem sie entlang des Pfadabschnittes PA3 sich von dem Substrat 1' zu dem Substrat 1 ausgebreitet hat, auf das Substrat 1, so wechselwirkt sie mit dem Substrat dergestalt, dass sie Energie auf die Oberflächenwelle OW1, die sich auf den Oberflächen 12, 11 des Substrats 1 ausbreitet, einspeist. Die Volumenwelle VW2 wird dabei zumindest teilweise reflektiert und bewegt sich auf dem Pfadabschnitt PA2 zu einer weiteren Interaktionsstelle, diesmal mit dem Substrat 1. Hier wechselwirkt die Volumenwelle VW2 mit der Oberflächenwelle OW3 des Substrates und wird zumindest teilweise reflektiert, bevor sie nachdem sie den Pfadabschnitt PA1 zurückgelegt hat, wiederum auf das Substrat 1 trifft und dort mit diesem wechselwirkt. Jede dieser Wechselwirkungen ist mit einer Kopplung der Energie der Volumenwelle VW1 und der Oberflächenwelle OW3 verbunden. Insgesamt breiten sich somit Wellenzüge zwischen der Sender-/Empfängereinheit 1 und der Sender-/Empfängereinheit 2 aus, die an der Sender-/Empfängereinheit SE2 in Form von Volumenwellen OW1 empfangen werden.
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Es ist dabei zu beachten, dass die Wellenzüge, die sich zwischen den Sender-/Empfängereinheiten ausbreiten, Weilen VW2 umfassen, die in dem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitten PA3, PA2, PA1 ihres Ausbreitungspfades jeweils Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweisen. Werden nun Eigenschaften der Ausbreitung der akustischen Wellenzüge zwischen den Sender-/Empfängereinheiten SE1 und SE2 mittels der am Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE2 erzeugter Signale ermittelt, so können diese zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums M herangezogen werden.
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Hierzu ist bei vorliegendem Verfahren des Weiteren vorgesehen, dass eine Volumenwelle VW1 durch die Sender-/Empfängereinheit SE1 angeregt wird, die sich entlang des Wellenleiters entlang seiner Haupterstreckungsrichtung gegen die Stromrichtung des Mediums M ausbreitet. Hierbei kommt es zu einer Ausbreitung von Wellenzügen, die zumindest teilweise in Form einer Volumenwelle VW1 zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und der Sender-/Empfängereinheit SE3 sich im Medium zwischen den beiden Substraten 1 und 1' ausbreiten. An den Wechselwirkungsstellen mit den Oberflächen 11 bzw. 21 der Substrate koppeln die Volumenwellen VW1 mit den jeweils in den Substraten 1, 1' verlaufenden Oberflächenwellen OW1 und OW2. Hierbei breiten sich Wellenzüge auf einem Pfad P2 aus. Dieser Pfad umfasst Wellen, die sich auf den Abschnitten PA1', PA2', PA3', PA4' durch das Medium in Form von Volumenwellen VW1 ausgebreitet haben. Auch hier kommt es zu der typisch zickzackförmigen Wellenausbreitung in dem Medium, dadurch dass die sich im Medium M ausbreitende Volumenwellen VW1 an Wechselwirkungsstellen mit den Substraten 1 bzw. 1' an deren Oberfläche 11 bzw. 21 wechselwirken. Hierbei kommt es jeweils zu einer Kopplung der Volumenwelle VW1 mit dem in den Substraten verlaufenden Oberflächenwellen OW1 und OW2. Insbesondere wird im Substrat 1 Energie in die Oberflächenwelle OW1 an den Wechselwirkungsstellen eingespeist, die sich auf dem Substrat in Richtung der Sender-/Empfängereinheit SE2 ausbreitet, die im Empfängermodus betrieben wird und zum Empfang der Oberflächenwellen eingerichtet ist. Zusätzlich werden Oberflächenwellen OW2, die sich von der im Sendermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE1 zur im Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE3 ausbreiten, an der Sender-/Empfängereinheit SE3 detektiert. Zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und der Sender-/Empfängereinheit SE3 kommt zur Wechselwirkung von sich im Medium ausbreitenden Volumenwellen VW1 an Interaktionsstellen mit der Oberfläche 21 des Substrates 1', sodass die Volumenwellen VW1 mit den Oberflächenwellen OW2 koppeln und Energie zwischen den Volumenwellen VW1 bzw. der Oberflächenwelle OW2 ausgetauscht wird. Hierbei wird die Volumenwelle VW1 zumindest zum Teil reflektiert.
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Aus dem an der Sender-/Empfängereinheit beim Empfang der Oberflächenwelle OW2 erzeugten Signal wird zusammen mit dem beim Empfang der Oberflächenwelle OW1 an der Sender-/Empfängereinheit SE2 am Substrat 1 erzeugten Signal die Strömungsgeschwindigkeit und der Massenstrom des Mediums M durch die Ermittlung von Eigenschaften der Ausbreitung der Wellenzüge, insbesondere die Laufzeit der Wellenzüge, zwischen den Sender-/Empfängereinheiten bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass die diejenigen Wellenzüge, welche sich entlang des Pfades P2 zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE1 und SE3 ausgebreitet haben, Wellen VW1 umfassen, die in durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitten PA1', PA2', PA3', PA4' ihres Ausbreitungspfades P2 durchweg Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren aufweisen, die eine vektorielle Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömung des Mediums M besitzen.
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Strömt das Medium, wie vorliegend parallel zu den plan ausgebildeten Oberflächen 11 und 21 der Substrate 1 und 1', so breiten sich die Volumenwellen VW1 zwischen den Substraten im Medium mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit aus, die sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit im ruhenden Medium abzüglich eines Betrages VFL cosα ergibt, wobei VFL die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und cosα der Winkel zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektoren und der Strömungsrichtung des Mediums ist. Der Winkel α bestimmt sich vorliegend zu α = 90° – Δ, wobei Δ der nicht abgebildete Einkopplungswinkel der Volumenwelle VW1 ist, den deren Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit der Normalen der inneren Oberfläche 21 des Substrates 1' bildet.
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Das in der 3 geschilderte Verfahren kann dabei im Unterschied zu dem in den 1 und 2 geschilderten Verfahren so betrieben werden, dass Eigenschaften der Ausbreitung verschiedener Wellenzüge entlang der jeweiligen Pfade P1 und P2 gleichzeitig ermittelt werden. Insbesondere müssen die Sender-/Empfängereinheiten SE1, SE2, SE3 vorliegend nicht notwendigerweise in einem Multiplexverfahren hintereinander einmal als Sender und einmal als Empfänger betrieben werden. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit VFL bzw. des Massenstromes erfolgt hierbei durch die Bestimmung von Eigenschaften der Ausbreitung der Wellenzüge, insbesondere der Laufzeiten der Wellenzüge.
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Wie bereits erwähnt, ergeben sich durch die Ausbreitung von Teilen der Wellenzüge, insbesondere von Volumenwellen VW1 und VW2 mit Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Strömung und einmal mit Geschwindigkeitskomponenten in Gegenrichtung der Strömung, unterschiedliche Laufzeiten. Aus diesen Laufzeiten kann sowohl auf die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums M als auch auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit (im Ruhesystem des Mediums) geschlossen werden kann, wobei aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Ruhesystem des Medium, insoweit diese errechnet wurde, auf Eigenschaften des Mediums, insbesondere die Dichte des Mediums (und/oder eine Konzentration einer im Medium enthaltenen Substanz) geschlossen wird. Die Auswertung und damit Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Massenstroms wird mit einer nicht dargestellten Auswerteinheit vorgenommen, die an dem oder den Empfängern beim Empfang von Wellenzügen erzeugte Signale auswertet.
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4 zeigt die Vorrichtung der 3, wobei diese nunmehr in einem Multiplexverfahren betrieben wird. Dies bedeutet, dass zumindest einige der Sender-/Empfängereinheiten SE1, SE2, SE3 zeitweise im Empfängermodus und zeitweise im Sendermodus betrieben werden. Bei der im Rahmen der Beschreibung der 3 besprochenen Durchführung des Verfahrens wurden die Sender-/Empfängereinheiten SE3 und SE2 als Empfänger und die Sender-/Empfängereinheit SE1 als Sender betrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Multiplexverfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich die Sender-/Empfängereinheit SE3 als Sender und die Sender-/Empfängereinheit SE1 als Empfänger während einer Zeitspanne des Verfahrens betrieben wird. Während dieser Zeitspanne dienen also die Sender-/Empfängereinheiten SE1 und SE2 als Empfänger und die Sender-/Empfängereinheit SE3 als Sender.
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Hierdurch kommt es zu einer Ausbreitung von Volumenwellen entlang eines Pfades P3 zwischen der Sender-/Empfängereinheit SE3 und der Sender-/Empfängereinheit SE1, wobei der Ausbreitungspfad bis auf die Ausbreitungsrichtung der gleiche ist, der bereits in der 3 als Ausbreitungspfad P2 beschrieben wurde.
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Dies ist durch vor- und rückläufige Pfeile entlang der Pfadabschnitte PA4, PA3, PA2, PA1 angedeutet. Hierbei werden Wellenzüge von der Sender-/Empfängereinheit SE3 zur Sender-/Empfängereinheit SE1 ausgebreitet, wobei diese Volumenwellen VW3 umfassen, die sich entlang der Pfadabschnitte PA4', PA3', PA2' und PA1' so im Medium ausbreiten, dass sie jeweils einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweisen. Man beachte, dass die Volumenwellen VW1 entlang dieser Pfadabschnitte jeweils einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömung aufwiesen. Werden die Volumenwellen OW2 nun an der im Empfängermodus betriebenen Sender-/Empfängereinheit SE1 empfangen, so kann aus Eigenschaften der Ausbreitung zwischen den beiden fraglichen Sender-/Empfängereinheiten, insbesondere einer Laufzeitmessung der Wellenzüge zwischen diesen beiden Sender-/Empfängereinheiten, im Zusammenhang mit einer Messung von Eigenschaften der Ausbreitung der Volumenwellen VW1, wie sie in der 3 besprochen wurden, einer Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und einer Bestimmung des Massenstroms des Mediums M im Wellenleiter erfolgen. Die Auswertung und damit Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Massenstroms wird mit einer nicht dargestellten Auswerteinheit vorgenommen, die an dem oder den Empfängern beim Empfang von Wellenzügen erzeugte Signale auswertet.
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Analoges gilt für die Ausbreitung von Volumenwellen VW4 entlang von Pfadabschnitten PA1, PA2, PA3 von der Sender-/Empfängereinheit SE2, die im Sendermodus betrieben werden kann, zu der Sender-/Empfängereinheit SE1, die im Empfängermodus betrieben werden kann.
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Es sind verschiedene Variationen des Multiplexverfahrens möglich. Insbesondere können auch mehr als drei Sender-/Empfängereinheiten eingesetzt werden. Wesentlich ist hierbei nur, dass zumindest jeweils zwei der Sender-/Empfängereinheiten so betrieben werden, dass zwischen ihnen Wellenzüge ausgebreitet werden, wobei einer der Sender-/Empfängereinheiten als Sender und der andere als Empfänger betrieben wird und zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums Eigenschaften der Ausbreitung eines zwischen diesen sich ausbreitenden Wellenzuges ermittelt wird, der eine Welle umfasst, die einen durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungsgrades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömung des Mediums aufweist und Eigenschaften der Ausbreitung eines zwischen einem Sender und einem Empfänger sich ausbreitenden Wellenzuges ermittelt werden, der eine Welle umfasst, die in einem durch das Medium verlaufenden Pfadabschnitt ihres Ausbreitungspfades einen Ausbreitungsgeschwindigkeitsvektor mit einer vektoriellen Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung des Mediums M aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/034878 [0002, 0004, 0005, 0005]
