DE102011052670B4

DE102011052670B4 - Ultraschallwandlervorrichtung

Info

Publication number: DE102011052670B4
Application number: DE102011052670A
Authority: DE
Inventors: Edward Randall Furlong
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-08-13
Also published as: NO342976B1; CN102426037B; US7954387B1; DE102011052670A1; BRPI1104088A2; CN102426037A; NO20111108A1; BRPI1104088B1; GB2482968A; GB201114041D0; GB2482968B; ITMI20111267A1

Abstract

Ultraschallwandleranordnung mit einem proximalen Ende (4) und einem gegenüberliegenden distalen Ende (6), wobei das proximale Ende (4) auf das zu messende Medium ausgerichtet ist, wobei die Ultraschallwandleranordnung (2; 102) aufweist: ein Außengehäuse (8); eine mit dem distalen Ende (6) des Außengehäuses (8) verbundene Elektronik (14); ein in dem Außengehäuse (8) befestigtes, ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element (18; 118), wobei das Erzeugungselement (18; 118) aus einem Material ausgebildet ist und eine einen Ultraschallpfad (20; 120) für die Übertragung eines Ultraschallsignals definierende proximale Seite aufweist, wobei der Ultraschallpfad (20; 120) rechtwinklig zu der proximalen Seite ausgerichtet ist, und das Ultraschallsignal eine Eigenfrequenz besitzt; eine elektrische Leitung (16) zum Leiten elektrischer Signale von der Elektronik (14) zu dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element (18; 118); einen akustisch dämpfenden Verbundstoff (22), der in dem Außengehäuse (8) auf der distalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes (18; 118) angeordnet...

Description

Hintergrund der Erfindung
Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft Ultraschallwandler und insbesondere einen Ultraschallwandler mit verbesserter Durchflussmessgenauigkeit sowie Durchflussmesser mit einer solchen Ultraschallwandleranordnung.
Ultraschall-Durchflussmesser werden zum Ermitteln der mittleren Rohrströmungsgeschwindigkeit (V_m) einer Vielzahl von Fluiden (z. B. Flüssigkeiten, Gasen, Mehrfachphasen usw.) verwendet. Die Kenntnis der Fluidströmungsgeschwindigkeit kann die Ermittlung anderer physikalischer Eigenschaften oder Qualitäten des Fluids ermöglichen. Beispielsweise kann in einigen eichpflichtigen Anwendungen die Strömungsgeschwindigkeit zum Ermitteln des Volumens (Q) eines Fluids (z. B. von Öl oder Gas), das von einem Verkäufer an einen Käufer über ein Rohr geliefert wird, genutzt werden, um die Kosten für die Transaktion zu bestimmen, wobei das Volumen gleich der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der Querschnittsfläche (A) des Rohres ist.
Ein herkömmlicher Ultraschallwandler enthält typischerweise ein zylindrisches Gehäuse, wobei der Ultraschallwandler in einem Ende (üblicherweise der Spitze) angebracht ist und eine Elektronik in dem gegenüberliegenden Ende montiert ist. Ein akustisches Dämpfungsmaterial trennt typischerweise die zwei, um zu verhindern, dass Schallwellen innerhalb des Gehäuses nachhallen. Der Wandlerkristall ist fragil und wird daher normalerweise nicht dem zu messenden Medium ausgesetzt. Demzufolge ist die Gehäusespitze typischerweise hermetisch versiegelt, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit und Verschmutzungen in den Innenhohlraum eintreten, in welchem sich der Wandler befindet. Innerhalb des Innenhohlraums liegt der Wandler an der Spitze an und leitet ein Ultraschallsignal durch das Spitzenmaterial in das zu messende Medium. Die ebene Oberfläche des Wandlerkristalls ist rechtwinklig (d. h. senkrecht zu der Richtung der Ultraschallwellenausbreitung). Für Anwendungen, in welchen der Wandler als ein Durchflussmesser verwendet wird, wird der Ultraschallwandler dann durch eine Zugangsöffnung hindurch in dem Fluidkanal montiert.
Ein bekannter Nachteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass das Ultraschallsignal zuerst das Wandlerspitzenmaterial passieren muss, bevor es in das zu messende Medium eintritt. Das Spitzenmaterial kann ziemlich dick sein, um dem Druck des Fluids in dem Kanal zu widerstehen, welcher in einem Beispiel mehrere tausend bar (psi) betragen kann. Das dicke Spitzenmaterial kann das Ultraschallsignal absorbieren oder anderweitig abschwächen, was ein verschlechtertes Betriebsverhalten, wie z. B. ein verringertes Signal/Rausch-Verhältnis bewirken kann. Ferner muss aufgrund der Spitzendicke die Sondenspitze oder Fläche rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung sein. Ansonsten lenkt die Dicke des Spitzenmaterials den Wellenausbreitungspfad ab, was zu Messfehlern führt.
In einer Art von Ultraschall-Durchflussmesser, welcher eine Laufzeit-Durchflussmessung nutzt, können ein oder mehrere Paare von Ultraschallwandlern an einem Rohr (oder an einem an einer Pipeline angebrachten Zwischenstück) montiert sein. Jedes Paar kann stromaufwärts und stromabwärts voneinander angeordnete Wandler enthalten, die zwischen einander einen Ultraschallpfad ausbilden. Jeder Wandler sendet, wenn er erregt wird, ein Ultraschallsignal (z. B. eine Schallwelle) entlang eines Ultraschallpfads durch das strömende Fluid, das von dem anderen Wandler empfangen und detektiert wird. Die entlang des Ultraschallpfads gemittelte Pfadgeschwindigkeit (d. h. die Sehnengeschwindigkeit (V_p)) kann als eine Funktion der Differenz zwischen (i) der Laufzeit eines entlang eines Ultraschallpfads von dem stromabwärts liegenden Wandler stromaufwärts gegen die Fluidströmungsrichtung zu dem stromaufwärts liegenden Wandler wandernden Ultraschallsignals und (ii) der Laufzeit eines entlang des Ultraschallpfads von dem stromaufwärts liegenden Wandler stromabwärts mit der Fluidströmungsrichtung zu dem stromabwärts liegenden Wandler wandernden Ultraschallsignals ermittelt werden.
Eine Art eines Laufzeit-Durchflussmessers, die in industriellen und kommerziellen Anwendungen verwendet wird, ist ein Fackelgas-Durchflussmesser, der die Strömungsgeschwindigkeit in einem brennbaren Gas misst, das an die Atmosphäre ausgegeben und anschließend verbrannt wird. Brennbare Gase sind z. B. übliche Nebenprodukte bei Ölraffinationsvorgängen, beim Ölbohren und der Exploration und in industriellen Prozessen. Die sicherste Art zur Entsorgung des brennbaren Gases ist das Ablassen an die Atmosphäre und seine Verbrennung. Jedoch erfordern Umweltvorschriften manchmal, dass der Fackelgaserzeuger die Menge des in der Atmosphäre über eine vorgegebene Zeitdauer verbrannten brennbaren Gases dokumentiert. Der Fackelgas-Durchflussmesser ermöglicht dem Erzeuger, den Gasdurchfluss zu messen und zu dokumentieren und die Vorschriften einzuhalten.
Eine Ultraschall-Fackelgas-Durchflussmessung verwendet typischerweise wenigstens ein Paar von Wandlern wie vorstehend beschrieben, wobei jeder Wandler in eine Sonde eingebaut ist. Da das Fackelgas typischerweise mit einer sehr hohen Geschwindigkeit (z. B. 150 m/s) durch das Rohr strömt, kann es sein, dass genaue Messungen schwierig sind, wenn die Sonden weit voneinander im Abstand angeordnet sind, wie es im Falle eines Rohres mit großem Durchmesser der Fall sein kann. Daher steht in einigen Anwendungen jede Wandlersonde in das Fackelgasrohr näherungsweise über ein Viertel des Rohrdurchmessers vor. Jede in das Rohr vorstehende Sonde verringert den Trennungsabstand zwischen dem Sondenpaar, was eine genauere Messung ermöglicht.
Es gibt jedoch verschiedene Probleme bei diesem Lösungsansatz. Ein bekanntes Problem besteht darin, dass die Sonden groß sind und Hindernisse für den Durchfluss darstellen. Aufgrund der dynamischen Kräfte in dem Hochgeschwindigkeitsdurchfluss können die Sonden anfangen zu rütteln oder zu vibrieren. Die Vibration kann eine Ermüdungsbelastung bewirken. Auch die Geschwindigkeit des Fluids kann tendenziell die Sonde entweder elastisch oder permanent biegen. In jedem Falle kann die Sonde schließlich ausfallen.
Eine weitere Art von Laufzeit-Durchflussmesser ist der Multiphasen-Durchflussmesser, welcher die Strömungsgeschwindigkeit in Rohren misst, die mehr als nur eine Phase enthalten, wie z. B. Flüssigkeit und Feststoffe. Ein Beispiel eines Multiphasendurchflusses kann man bei Ölbohroperationen finden, bei denen dem durch das Rohr strömenden flüssigen Öl Sandpartikel beigemischt sein können. Die Sandpartikel neigen zu Wechselwirkungen mit den zwischen den Sensoren übertragenen Ultraschallwellen. Eine Lösung für dieses Problem besteht in dem Einsetzen der Sonden in das Rohr unter Minimierung des Abstandes zwischen den Wandlern ähnlich wie bei der Fackelgasanwendung. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass die Sandpartikel die Sondenspitzen erodieren und mit der Zeit einen Ausfall der Sonde bewirken.
Eine weitere Art von Durchflussmesser ist ein eichpflichtiger Durchflussmesser, welcher eine sehr genaue Durchflussmessung erfordert. Eichpflichtige Durchflussmesser messen oft teuere (und manchmal flüchtige) Fluide, wie z. B. Benzin. Sicherheitsvorschriften verbieten Hindernisse in dem Rohrdurchflusspfad (wie z. B. Sonden), welche eine Zündquelle darstellen könnten. Daher werden die Wandler typischerweise zurückgezogen in dem Rohr montiert. Aufgrund der beteiligten Geometrien (z. B. der Stromaufwärts- und Stromabwärts-Quermontage) und der Notwendigkeit, dass die Sondenfläche rechtwinklig zu der Wellenausbreitung ist, bildet der vertieft montierte Wandler Aussparungen oder Hohlräume in der Leitungswand aus. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass Durchflussmesser mit zurückgezogenen Wandlern, wie man sie beispielsweise in eichpflichtigen oder in Multiphasen-Durchflussmessern findet, eine Erosion oder Blockierung in den durch die Vertiefung erzeugten Hohlräumen erfahren. In einigen Konfigurationen erzeugt die über die Vertiefung passierende Strömungsgeschwindigkeit Wirbel, die, wenn feste Partikel wie z. B. Sand in der Strömung vorhanden sind, den Hohlraum und die Leitung erodieren. In anderen Konfigurationen können sich Festkörperpartikel in den Hohlräumen absetzen und den Ultraschallpfad behindern, was zu fehlerhaften Messwerten führt.
DE 100 84 627 B4 beschreibt eine Ultraschallwandleranordnung, die ein auf ein zu messendes Medium ausgerichtetes proximales Ende, ein gegenüberliegendes distales Ende, ein Außengehäuse, eine mit dem distalen Ende des Außengehäuses verbundene Elektronik und ein in dem Außengehäuse befestigtes, ein elektroakustisches Signal erzeugendes aktives Element enthält. Das aktive Element ist aus einem Material ausgebildet und weist eine einen Ultraschallpfad für die Übertragung eines Ultraschallsignals definierende proximale Seite auf, wobei der Ultraschallpfad rechtwinklig zu der proximalen Seite ausgerichtet ist. Die Ultraschallwandleranordnung weist ferner eine elektrische Leitung zum Leiten elektrischer Signale von der Elektronik zu dem aktiven Element, einen akustischen Dämpfer, der in dem Außengehäuse derart angeordnet ist und sich entlang dessen von der proximalen bis über die distale Seite des aktiven Elementes hinaus erstreckt, eine mit dem proximalen Ende des Außengehäuses verbundene metallische Isolationsmembrane, deren Dicke in etwa 1/4 der Wellenlänge der Übertragungsfrequenz der Ultraschallwelle entspricht und die parallel zu der proximalen Seite des aktiven Elementes verläuft, und eine Übertragungsschicht z. B. aus TEFLON^TM oder einem akustischen Gel, die zwischen der proximalen Seite des aktiven Elementes und der distalen Oberfläche der Isolationsmembrane angeordnet ist.
US 4 410 826 A beschreibt eine Ultraschallwandleranordnung, bei der ein Ultraschallwandler in einer Kammer aufgenommen ist, die aus einem Schall absorbierenden Gummi ausgebildet und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Eine relativ steife Membran verschießt das proximale Ende der Kammer, um ein Fenster für einen Ultraschall aus dem Wandler bereitzustellen, das zu dem Ultraschallpfad rechtwinklig ausgerichtet ist. Die Membran weist eine Dicke von nλ/2, wobei λ die Wellenlänge des Ultraschalls in der Membran ist und n eine ganze Zahl ist, und eine akustische Impedanz auf, die im Wesentlichen derjenigen der Flüssigkeit in der Kammer entspricht.
DE 102 29 925 A1 beschreibt einen Durchflussmesser mit einem Leitungsrohr, das einen Durchflusskanal für ein hindurchströmendes Fluid definiert, und mit einem Ultraschallwandler, der in einer Vertiefung untergebracht ist, die in einer Außenseite der Wandung des Leitungsrohrs ausgebildet ist. Ein verbleibender Teilbereich der Wandung an der Innenseite des Leitungsrohrs bildet eine dünne Membran, die mit einem Wellenleiter des Ultraschallwandlers in Kontakt steht, um den Ultraschallstrahl abzustrahlen. An der Kontaktstelle zwischen dem Wellenleiter und der Membran ist ein Ankoppelmedium, bspw. Silikonfett vorgesehen, um die Ultraschallenergie in die Membran einzukoppeln.
US 5 275 060 A offenbart einen Ultraschallwandler, der in einer Ausführungsform eingerichtet ist, um einen Ultraschall unter einem Winkel in Bezug auf eine Referenzfläche abzustrahlen und zu empfangen. Hierzu ist zwischen einem piezoelektrischen Wandlerkristall und einer dünnwandigen ausgedehnten Quelle ein Übertragungsmediumelement vorgesehen, an dem der Wandlerkristall derart angeordnet ist, dass er unter einem kleinen, streifenden Einfallswinkel auf die dünnwandige ausgedehnte Quelle strahlt, um diese anzuregen, eine Ultraschallwelle abzustrahlen und zu empfangen, die eine Brechung zeigt. Durch Wahl von Materialien mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit für das Übertragungsmediumelement können unterschiedliche Brechungswinkel realisiert werden.
US 7 162 930 B2 offenbart einen Ultraschallsensor zum Senden oder Empfangen einer Ultraschallwelle zu oder von einem umliegenden Raum, der mit einem Fluid gefüllt ist, mit einem Ultraschallwandler und einem Ausbreitungsmediumelement zwischen dem Ultraschallwandler und dem umliegenden Raum zur Bildung eines Übertragungspfads für die Ultraschallwelle. Das Ausbreitungsmediumelement weist eine erste Oberfläche, die der Ultraschallschwingungsfläche des Ultraschallwandlers zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche auf, die dem Fluid in dem umliegenden Raum zugewandt ist, wobei die zweite Oberfläche in Bezug auf die erste Oberfläche geneigt ist. Durch geeignete Wahl des Neigungswinkels der zweiten Oberfläche und der Dichte und Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediumelementes kann erreicht werden, dass der Ultraschall an der zweiten Oberfläche gebrochen werden kann, um nahezu parallel zu dieser ausgesandt und empfangen werden zu können.
Es wäre vorteilhaft, die Durchflussmessgenauigkeit zu verbessern, ohne die Wandlersonde in den Fluidstrom einzuführen, oder die Sonde von der Innenwand der Fluidleitung zurückzusetzen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einem Aspekt der Erfindung wird eine Ultraschallwandleranordnung bereitgestellt, die die Genauigkeit durch eine Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses verbessert. Die Wandleranordnung enthält ein auf ein zu messendes Medium ausgerichtetes proximales Ende und ein gegenüberliegendes distales Ende. Die Wandleranordnung enthält ein Außengehäuse und eine mit dem distalen Ende des Außengehäuses verbundene Elektronik. Ein ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element ist in dem Außengehäuse befestigt. Das Erzeugungselement sendet ein Ultraschallsignal bei einer Eigenfrequenz entlang eines durch seine proximale Seite definierten Ultraschallpfads aus, der zu der proximalen Seite des Erzeugungselementes rechtwinklig ausgerichtet ist. Eine elektrische Leitung leitet elektrische Signale von der Elektronik zu dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element. Ein akustisch dämpfender Verbundstoff ist in dem Außengehäuse auf der distalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes angeordnet. Eine Isolationsmembrane ist mit dem proximalen Ende des Außengehäuses verbunden. Die Isolationsmembrane ist in Bezug auf eine Eigenwellenlänge des Membranmaterials relativ dünn. Die Membrandicke ist wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Eigenwellenlänge λ_c des Membranmaterials, wobei die Eigenwellenlänge λ_c des Isolationsmembranmaterials den Abstand, den eine Schallwellenform zwischen ihren Spitzen durchwandert, kennzeichnet und durch λ_c = c/f definiert ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit des Materials und f die Eigenfrequenz des Ultraschallsignals ist. Die Isolationsmembrane liegt in einem Winkel in Bezug auf die proximale Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elements. Eine fluidartige übertragungsschicht ist zwischen der proximalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes und der distalen Oberfläche der Isolationsmembrane angeordnet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Durchflussmesser mit einem Durchflussmesserkörper bereitgestellt, durch den ein Durchflusskanal führt und mit dem ein Elektronikmodul verbunden ist. Der Durchflussmesserkörper enthält eine sich von einer Außenoberfläche zu dem Durchflusskanal erstreckende Öffnung. In der Öffnung ist eine erfindungsgemäße Ultraschallwandleranordnung angeordnet. Die Ultraschallwandleranordnung enthält, wie vorstehend erläutert, ein Außengehäuse, ein in dem Außengehäuse befestigtes, ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element, eine mit einem proximalen Ende des Außengehäuses verbundene Isolationsmembrane und eine zwischen dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element und der Isolationsmembrane angeordnete Fluidübertragungsschicht. Die Isolationsmembrane passt sich im Wesentlichen der Form des Durchflusskanals in dem Durchflussmesserkörper an, und eine Dicke der Isolationsmembrane ist wenigstens um eine Größenordnung kleiner als eine Eigenwellenlänge des Membranmaterials.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum Verständnis der Merkmale der Erfindung erfolgt eine detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen, wovon einige in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es ist jedoch anzumerken, dass die Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und daher nicht als Einschränkung ihres Schutzumfangs zu betrachten sind, da der Schutzumfang der Erfindung weitere gleichermaßen effektive Ausführungsformen umfasst. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich, da der Schwerpunkt im Wesentlichen auf der Darstellung der Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung liegt. Somit kann für ein ausführlicheres Verständnis der Erfindung auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen Bezug genommen werden, in welchen:
1 ein schematischer Querschnitt einer Wandleranordnung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines eichpflichtigen Durchflussmessers ist, der eine Wandleranordnung gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung nutzt; und
3 eine schematische Querschnittsansicht des eichpflichtigen Durchflussmessers und der Wandleranordnung von 2 ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß 1, welche einen schematischen Querschnitt einer Wandleranordnung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung darstellt, enthält eine Ultraschallwandleranordnung 2 ein auf ein zu messendes Medium gerichtetes proximales Ende 4 und ein gegenüberliegendes distales Ende 6. Die Wandleranordnung 2 enthält ferner ein Außengehäuse 8, welches eine zylindrische Form haben kann. Das Außengehäuse 8 der Wandleranordnung 2 kann metallisch, z. B. Aluminium, rostfreier Stahl oder Titan oder kann Kunststoff sein. Wenn es Kunststoff ist, ist er auf der Innenseite bevorzugt elektrisch abgeschirmt. Eine an dem distalen Ende 6 des Außengehäuses 8 befestigte Endkappe 10 enthält eine Gewindebohrung 12, um eine Elektronik 14 an der Wandleranordnung 2 lösbar zu befestigen. Beispielsweise können das Außengehäuse 8 und die Endkappe 10 aus rostfreiem Stahl hergestellt und zur Ausbildung eines einteiligen Aufbaus elektronenstrahlverschweißt sein.
In dem Gehäuse 8 führt ein elektrischer Leiter 16 elektrische Signale von dem Elektronikpaket 14 zu einem ein elektroakustisches Signal erzeugenden Element 18, welches in der offengelegten Ausführungsform ein piezoelektrischer Kristall ist. Der Wafer-förmige Kristall 18 sendet und empfängt Ultraschallsignale entlang eines Ultraschallpfads 20 rechtwinklig zu der ebenen Fläche des Kristalls 18. Die Aussendung von Ultraschallsignalen erfolgt in Reaktion auf eine an den Kristall angelegte Spannung, während bei dem Empfang von Ultraschallsignalen Spannung an dem Kristall 18 erzeugt wird.
Das ein elektroakustisches Signal erzeugende Element 18 kann alternativ einen von als mikromechanisch bearbeitete Ultraschallwandler (MUTs) bekannten Typ enthalten, welcher von einer kapazitiven (cMUT) oder piezoelektrischen (pMUT) Unterart sein kann. cMUTs sind winzige membranähnliche Vorrichtungen mit Elektroden, die die Schallschwingung eines empfangen Ultraschallsignals in eine modulierte Kapazität umwandeln. Zum Senden wird die kapazitive Ladung moduliert, um die Membrane der Vorrichtung schwingen zu lassen und dadurch eine Schallwelle zu senden.
Die Wandleranordnung 2 kann ferner einen akustisch dämpfenden Verbundstoff 22 enthalten, der auf der Rückseite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 18 angeordnet ist. Der akustisch dämpfende Verbundstoff 22 minimiert einen Nachhall des Ultraschallsignals in der Innenkammer 24 der Wandleranordnung 2, um dadurch das Betriebsverhalten des Wandlers zu verbessern. Der akustisch dämpfende Verbundstoff 22 kann aus einem mit Wolfram versetzten Epoxid oder Graphit bestehen. In einigen Konstruktionen kann der akustisch dämpfende Verbundstoff 22 als ein Puffer zum Isolieren empfindlicher interner Komponenten von Umgebungsextremen, wie z. B. bei Hochtemperaturanwendungen, dienen.
Die Wandleranordnung 2 enthält eine Isolationsmembrane 26, die mit dem proximalen Ende des Außengehäuses 8 verbunden ist. In einem Beispiel ist die Verbindung durch Schweißen implementiert. Die Membrane 26 isoliert das gemessene Medium, wie z. B. den Fluidstrom, von internen Komponenten des Wandlers. In einigen Fluiddurchfluss-Messanwendungen kann der Fluiddruck mehrere tausend Bar betragen. Daher wurden herkömmliche Ultraschallwandler typischerweise aus hochfesten Metallen, wie z. B. aus rostfreiem Stahl oder Titan hergestellt, und die Membrane war typischerweise 2,03 bis 2,54 mm (0,080 bis 0,10 Inch) dick, um der großen Druckdifferenz zu widerstehen.
Im Gegensatz dazu ist die Isolationsmembrane 26 der offengelegten Wandleranordnung 2 ziemlich dünn. Die minimale Dicke der Isolationsmembrane 26 kann nur durch die Herstellungsmöglichkeiten beschränkt sein. Somit ist in einem Beispiel die Dicke der Isolationsmembrane 26 0,02 bis 0,50 mm (0,01 bis 0,020 Inches). In einem weiteren Beispiel kann die Dicke der Isolationsmembrane 26 in dem Bereich von 0,07 bis 0,13 mm (0,003 bis 0,005 Inch) liegen. Kandidatenmaterialien für die Isolationsmembrane 26 umfassen Metallfolien, wie z. B. rostfreien Stahl, Titan oder Aluminium. Die maximale Dicke der Isolationsmembrane 26 ist durch die Eigenwellenlänge des Membranmaterials begrenzt. In einer Ausführungsform kann die Dicke der Membrane 26 in Bezug auf die Eigenwellenlänge des Membranmaterials dünn sein, sodass die durch das das elektroakustische Signal erzeugende Element 18 gesendete und empfangene Energie nicht abgeschwächt oder in das Gehäuse zurück oder in einem Winkel wegreflektiert wird. Die Eigenwellenlänge λ_c des Isolationsmembranmaterials kann als der Abstand definiert sein, den eine Schallwellenform zwischen ihren Spitzen durchwandert, oder λ_c = c/f (1) wobei c die Schallgeschwindigkeit des Materials und f die Eigenfrequenz des Ultraschallsignals ist. In einem Beispiel ist die Schallgeschwindigkeit in Aluminium 5960 m/s und die Frequenz des Ultraschallimpulses ist 1 MHz. Die Eigenwellenlänge ist somit 5,969 mm (0,235 Inches). Die Dicke der Isolationsmembrane 26 kann als ein Verhältnis oder Bruchteil der Eigenwellenlänge ausgedrückt werden. In einem Beispiel ist die Dicke ein Zehntel oder eine Größenordnung kleiner als die Eigenwellenlänge. In einem weiteren Beispiel ist die Dicke ein Hundertstel oder zwei Größenordnungen kleiner als die Eigenwellenlänge. In jedem Falle ist die Dicke der Isolationsmembrane 26 wesentlich geringer als die Eigenwellenlänge.
Um die Druckdifferenz über der Isolationsmembrane 26 zu beseitigen, ist eine Fluidübertragungsschicht 28 zwischen der distalen Seite der Isolationsmembrane 26 und der proximalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 18 angeordnet. Die fluidartige Übertragungsschicht 28 kann eine Flüssigkeit oder ein Gel, aber kein Festkörper sein. Beispielsweise können, wenn die fluidartige Übertragungsschicht 28 eine Flüssigkeit ist, Kandidatenflüssigkeiten Wasser, Öl, Silikonöl oder Glycerol beinhalten. Wenn die fluidartige Übertragungsschicht 28 ein Gel ist, können Kandidatengele Petrolatum, Fett, Polymergel, Polyurethangel oder Silikongel umfassen. Die fluidartige Übertragungsschicht 28 kann die gesamte Innenkammer 24 der Wandleranordnung 2 ausfüllen.
Die fluidartige Übertragungsschicht 28 dient wenigstens zwei nützlichen Zwecken. In einem Aspekt wirkt die Schicht 28 als eine Fluidanpassungsschicht, um das Ultraschallsignal besser in das zu messende Medium einzukoppeln. Beispielsweise kann, wenn die Wandleranordnung 2 einen Teil eines einen Rohöldurchfluss messenden Ultraschall-Durchflussmessers bildet, die fluidartige Übertragungsschicht 28 Silikonöl aufweisen. Auf diese Weise wandert die Schallwelle aus dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element 18 durch das Silikonöl, durch die Isolationsmembrane 26 und durch das strömende Rohöl. Da die Dicke der Isolationsmembrane 26 wesentlich geringer als die Eigenwellenlänge ist, ist nur ein sehr geringer Verlust an Signalintegrität durch die Übertragungsschicht anzutreffen. Und da die Fluideigenschaften der Übertragungsschicht 28 sehr gut mit der zu messenden Strömung übereinstimmen, wird nur ein sehr geringer Verlust an Signalintegrität angetroffen. Somit liefert die offengelegte Wandleranordnung 2 ein hervorragendes Signal/Rausch-Verhältnis gegenüber Wandlern nach dem Stand der Technik.
In einem weiteren nützlichen Aspekt bleibt die benetzte Grenzschicht 30 der Wandleranordnung 2 an derselben Stelle, z. B. gegenüber dem zu messenden Fluid, während die Druckgrenzschicht 32 (z. B. die auf den Fluiddruck reagierenden Oberflächen) von der benetzten Grenzschicht 30 weg verlegt sind. In dem offengelegten Beispiel ist die Druckgrenzschicht 32 hinter das das elektroakustische Signal erzeugende Element 18 an eine Rückplatte 34 verlegt. Die Rückplatte 34 kann jede geeignete Konstruktion und Dicke haben, um den Druckkräften zu widerstehen. In einem Beispiel ist die Rückplatte 34 rostfreier Stahl, 2,54 mm (0,100 Inches) dick und mit dem Außengehäuse 8 verschweißt. In einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel liegt die Druckfläche 32 der proximalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 18 gegenüber. In jedem Falle ist der Druckabfall oder der Differenzdruck über der Isolationsmembrane 26 beseitigt, da die fluidartige Übertragungsschicht 28 die Reaktionskräfte an eine andere Stelle in dem Wandler überträgt.
Die Verlegung der Druckgrenzschicht 32 ermöglicht die Positionierung der Isolationsmembrane 26 in einem Winkel α in Bezug auf die proximale Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 18, ohne das Ultraschallsignal von dem Ultraschallpfad 20 abzulenken. Auf diese Weise kann die Isolationsmembrane 26 so hergestellt werden, dass sie im Wesentlichen mit der Innenform einer Rohroberfläche übereinstimmt. Beispielsweise kann, wenn die offengelegte Wandleranordnung 2 einen Teil eines Ultraschall-Durchflussmessers bildet, der durch eine Zugangsöffnung in einen Fluidkanal hindurch montiert ist, die Membrane 26 eine Krümmung haben, die an den Innendurchmesser des Kanals angepasst ist.
In einigen Konstruktionen sind Abschnitte des elektrischen Leiters 16 den Drücken in der fluidartigen Übertragungsschicht 28 ausgesetzt. Gemäß Darstellung in 1 übt die Druckgrenzschicht 32 einen Fluiddruck auf die Rückplatte 34 aus, welcher mehrere tausend Bar haben kann. Um einen Austritt des Fluids (z. B. durch Dochtwirkung) entlang eines mittigen Leiters 35 in einer nicht unter Druck stehenden Zone, wie z. B. in dem Hohlraum 37, zu verhindern, kann die Wandleranordnung 2 eine Metall/Glas-Abdichtung 36 enthalten.
In 2, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1 bezeichnen, ist eine perspektivische Ansicht eines eine Wandleranordnung gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung verwendenden eichpflichtigen Durchflussmessers dargestellt. Eine Wandleranordnung 102 gemäß der vorliegenden Offenlegung ist als Teil eines eichpflichtigen Flüssigkeits-Ultraschall-Durchflussmessers (LTC) 138 dargestellt, der in einer Zwischenteilkonfiguration montiert ist. Die LTC-Durchflussmesser messen typischerweise Rohöl, Destillate, Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen aus einer Raffinerieoperation. Die LTC-Durchflussmesser erfordern aufgrund des hohen Volumenstroms und des hohen Verkaufspreises des Produktes eine Genauigkeit von 0,15 oder besser.
Der Durchflussmesser 138 enthält einen stromaufwärts befindlichen Flansch 140 zur Verbindung mit einem Abschnitt einer stromaufwärts befindlichen eichpflichtigen Leitung, einen Hauptkörper 142, um einen Durchflusskanal 144 und eine Ultraschallmessung eines eichpflichtigen Fluids bereitzustellen, einen stromabwärts befindlichen Flansch 146 zur Verbindung mit einem stromabwärts liegenden Abschnitt der eichpflichtigen Leitung und ein Elektronikmodul 148, um die elektrische Verdrahtung von dem Wandler weg zu führen. Der Körper 142 ist in einem schrägen Winkel (z. B. in einem Winkel von 45 Grad) in Bezug auf die Strömungsrichtung 150 des eichpflichtigen Fluids positioniert, um Stromaufwärts- und Stromabwärts-Geschwindigkeiten für die Ultraschallwandlerpfade bereitzustellen, wie es nachstehend erläutert wird. Auf dem Hauptkörper 142 sind eine (nicht dargestellte) stromaufwärts liegende Abdeckung und eine stromabwärts liegende Abdeckung 152 angeordnet, um die Wandleranordnungen 102 abzuschließen und zu versiegeln, um die Führung der Verdrahtung durch das auf der Oberseite des Durchflussmessers 138 montierte Elektronikmodul 148 zu ermöglichen.
In 3, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1 bezeichnen, ist eine Querschnittsansicht eines eine Wandleranordnung gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung verwendenden eichpflichtigen Durchflussmessers dargestellt. Der Durchflussmesser 138 ist im Querschnitt entlang des Durchflussmesserkörpers 142 mit dem zur Verdeutlichung entfernten Elektronikmodul 148 dargestellt. Da der Durchflussmesser 138 schräg zu der Durchflussachse des Zwischenstückes installiert ist, erscheint die Querschnittsfläche des Durchflusskanals 144 elliptisch, auch wenn sie tatsächlich rund ist.
Der Durchflussmesser 138 enthält vier Paare von Ultraschallwandleranordnungen 102, wobei das proximale Ende 104 jedes Wandlers jedem anderen auf entgegensetzten Seiten des Körpers 142 gegenüberliegt. Die vier Wandlerpaare tasten das Durchflussprofil in dem Durchflussmesser ab und ermitteln die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit durch Interpolation über die vier Abschnitte. Jede Wandleranordnung 102 enthält ein ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element 118, das einen Ultraschallimpuls über den Durchflusspfad des eichpflichtigen Fluids an das gegenüberliegende Wandlerpaar emittiert. In der dargestellten Ausführungsform emittieren die vier Wandleranordnungen 102 auf der linken Seite der Zeichnung Impulse in der Abwärtsflussrichtung und die vier Wandleranordnungen 102 auf der rechten Seite der Zeichnung emittieren Impulse in der Aufwärtsflussrichtung.
Jede Wandleranordnung 102 enthält eine Isolationsmembrane 126, die im Wesentlichen der Form der Innenwand des Durchflusskanals entspricht. Eine fluidartige Übertragungsschicht 128 ist zwischen der distalen Seite der Isolationsmembrane 126 und der proximalen Seite eines das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 118 angeordnet. Wie man in Bezug auf die in 3 dargestellten verschiedenen Installationen und Geometrien erkennen kann, variiert der Winkel α der Isolationsmembrane 126 in Bezug auf die proximale Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes 118 gemäß einer Lage in dem Rohr. In einem Beispiel kann das Paar der Wandleranordnungen 102 so angeordnet sein, dass der Ultraschallpfad 120 die Mittellinie des Durchflusskanals passiert. In diesem Falle wäre der Winkel α gleich 0, d. h., die Isolationsmembrane 126 wäre parallel zu der Fläche des Erzeugungselementes 118. In einem weiteren Beispiel kann das Paar der Wandleranordnungen 102 so positioniert sein, dass sie angenähert die Viertelsehne des Durchflusskanals gemäß Darstellung durch die gestrichelte Linie in 3 zweiteilt. In diesem speziellen Beispiel kann der Winkel α der Isolationsmembrane 126 in Bezug auf die Seite des Erzeugungselementes 118 in einem Bereich von 30 bis 45 Grad liegen. In noch einem weiteren Beispiel, in welchem das Paar der Wandleranordnungen 102 so positioniert sein kann, dass es nur einen kleinen Abschnitt des Durchflusskanals zweiteilt, kann der Winkel α der Isolationsmembrane 126 in Bezug auf die Fläche des Erzeugungselementes 118 angenähert 60 Grad sein. Dieses Beispiel wird durch die oberen und unteren Wandlerpaare in 3 veranschaulicht.
Ein Vorteil, der in der praktischen Ausführung einiger Ausführungsformen der beschriebenen Wandleranordnung realisiert werden kann, besteht darin, dass die Isolationsmembrane so konfiguriert werden kann, dass sie sich im Wesentlichen der Kontur der Innenwand des Durchflusskanals anpasst. Somit würde eine Wandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie einen Fackelgasdurchflussmesser eingebaut wird, nicht auf die Probleme in Verbindung mit Wandlersondenerosion und Schwingung treffen.
Ein weiterer Vorteil, der realisiert werden kann, wenn die Isolationsmembrane im Wesentlichen der Form der Innenwand des Durchflusskanals entspricht, besteht darin, dass, wenn sie in einen eichpflichtigen Flüssigkeits- oder Multiphasen-Durchflussmesser eingebaut wird, die Probleme in Verbindung mit Erosion und Blockade in den Vertiefungshohlräumen beseitigt werden.
Ein weiterer Vorteil, der in der praktischen Ausführung einiger Ausführungsformen der beschriebenen Wandleranordnung realisiert werden kann, besteht darin, dass die offengelegte Wandleranordnung keine lokalen Strömungsverwirbelungen in der Nähe der Zugangsöffnung induziert. Lokale Strömungsverwirbelungen entstehen, wenn ein Fremdobjekt (z. B. der Wandler) in den Durchflussstrom eingeführt wird. Obwohl sie für die strukturelle Integrität der Wandleranordnung nicht schädlich sind, erfordern die Strömungsverwirbelungen Softwaremodifikationen zum Kompensieren des verschlechterten Signal/Rausch-Verhältnisses. Die Softwarekompensation ist zeitaufwendig und basiert auf Versuch und Irrtum.
Ein weiterer Vorteil, der in der praktischen Ausführung einiger Ausführungsformen der beschriebenen Wandleranordnung realisiert werden kann, besteht darin, dass die Wandleranordnung keinen Ultraschall auf die Strukturoberflächen des Rohres oder der Leitung überträgt. Somit wird das Übersprechphänomen oder Kurzschlussgeräusch zwischen den Wandlern minimiert, was die Zeitmessgenauigkeit und das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Beispielsweise kann die offengelegte Wandleranordnung in einen Doppler-Durchflussmesser eingesetzt werden. In dem den Doppler-Effekt nutzenden Modus wird die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen einer Geschwindigkeit eines in dem Fluid strömenden Partikels oder einer Blase unter der Annahme gemessen, dass sich das Partikel oder die Blase mit einer gleichen Geschwindigkeit wie der des sich bewegenden Fluids bewegt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Partikels oder der Blase kann durch Detektieren der Veränderung der Ultraschallfrequenz der an das sich bewegende Partikel oder an die Blase angelegten Ultraschallwelle, zu der einer von dem sich bewegenden Partikel oder der Blase reflektierten Ultraschallwelle ermittelt werden.
In einem weiteren Beispiel kann die Wandleranordnung dazu verwendet werden, nicht die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln, sondern das Vorhandensein von Fremdmaterial in dem Durchflussstrom, wie z. B. von Sand, zu detektieren.
Ein Ultraschallwandleranordnung enthält ein proximales Ende und ein gegenüberliegendes distales Ende. Die Wandleranordnung enthält ein Außengehäuse und ein in dem Außengehäuse befestigtes, ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element. Das Signalerzeugungselement sendet ein Ultraschallsignal bei einer Eigenfrequenz entlang eines Ultraschallpfads aus, der zu der Seite des Erzeugungselementes rechtwinklig ist. Eine Isolationsmembrane ist mit dem proximalen Ende des Außengehäuses verbunden. Die Isolationsmembrane ist in Bezug auf eine Eigenwellenlänge des Membranmaterials relativ dünn. Eine fluidartige Übertragungsschicht ist zwischen dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element und der Isolationsmembrane angeordnet. In einer Ausführungsform liegt die Isolationsmembrane in einem Winkel in Bezug auf die proximale Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes. In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Durchflussmesser die Ultraschallwandleranordnung, und die Isolationsmembrane stimmt im Wesentlichen mit der Form des Durchflusskanals in dem Durchflussmesserkörper überein.
Bezugszeichenliste

2, 102: Wandleranordnung
4: proximales Ende
6: distales Ende
8: Außengehäuse
10: Endkappe
12: Gewindebohrung
14: Elektronik
16: elektrische Leitung
18, 118: elektroakustisches Signal erzeugendes Element
20, 120: Ultraschallpfad
22: akustische Dämpfung
24: Innenkammer
26, 126: Isolationsmembrane
28, 128: fluidartige Übertragungsschicht
30: benetzte Grenzschicht
32: Druckgrenzschicht
34: Rückplatte
36: Dichtung
138: eichpflichtiger Durchflussmesser
140: stromaufwärts liegender Flansch
142: Körper
144: Durchflusskanal
146: stromabwärts liegender Flansch
148: Elektronikmodul
150: Fluiddurchflussrichtung
152: stromabwärts liegende Abdeckung

Claims

Ultraschallwandleranordnung mit einem proximalen Ende (4) und einem gegenüberliegenden distalen Ende (6), wobei das proximale Ende (4) auf das zu messende Medium ausgerichtet ist, wobei die Ultraschallwandleranordnung (2; 102) aufweist: ein Außengehäuse (8); eine mit dem distalen Ende (6) des Außengehäuses (8) verbundene Elektronik (14); ein in dem Außengehäuse (8) befestigtes, ein elektroakustisches Signal erzeugendes Element (18; 118), wobei das Erzeugungselement (18; 118) aus einem Material ausgebildet ist und eine einen Ultraschallpfad (20; 120) für die Übertragung eines Ultraschallsignals definierende proximale Seite aufweist, wobei der Ultraschallpfad (20; 120) rechtwinklig zu der proximalen Seite ausgerichtet ist, und das Ultraschallsignal eine Eigenfrequenz besitzt; eine elektrische Leitung (16) zum Leiten elektrischer Signale von der Elektronik (14) zu dem das elektroakustische Signal erzeugenden Element (18; 118); einen akustisch dämpfenden Verbundstoff (22), der in dem Außengehäuse (8) auf der distalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes (18; 118) angeordnet ist; eine mit dem proximalen Ende des Außengehäuses (8) verbundene Isolationsmembrane (26; 126), wobei die Isolationsmembrane (26; 126) durch ein Material mit einer Dicke gekennzeichnet ist, wobei die Membrandicke wenigstens eine Größenordnung kleiner als eine Eigenwellenlänge (λ_c) des Membranmaterials ist, wobei die Eigenwellenlänge (λ_c) des Isolationsmembranmaterials den Abstand, den eine Schallwellenform zwischen ihren Spitzen durchwandert, kennzeichnet und durch λ_c = c/f definiert ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit des Materials und f die Eigenfrequenz des Ultraschallsignals ist, und wobei die Isolationsmembrane (26; 126) in einem Winkel in Bezug auf die proximale Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elements (18; 118) liegt; und eine fluidartige Übertragungsschicht (28; 128), die zwischen der proximalen Seite des das elektroakustische Signal erzeugenden Elementes (18; 118) und der distalen Oberfläche der Isolationsmembrane (26; 126) angeordnet ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei der Winkel in einem Bereich von 0 bis 60 Grad liegt.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 2, wobei der Winkel in einem Bereich von 30 bis 45 Grad liegt.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die fluidartige Übertragungsschicht (28; 128) ein Öl ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 4, wobei die fluidartige Übertragungsschicht (28; 128) Silikonöl ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die fluidartige Übertragungsschicht (28; 128) ein Gel ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Isolationsmembrane (26; 126) wenigstens zwei Größenordnungen kleiner als die Eigenwellenlänge (λ_c) ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Isolationsmembrane (26; 126) in dem Bereich von 0,02 bis 0,50 mm liegt.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 8, wobei die Dicke der Isolationsmembrane (26; 126) in dem Bereich von 0,07 bis 0,13 mm liegt.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei das Material der Isolationsmembrane (26; 126) rostfreier Stahl ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei der akustisch dämpfende Verbundstoff (22) ein Puffer ist, um Komponenten in dem Außengehäuse (8) von Umgebungsextremen zu isolieren.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitung in einer Glas/Metall-Dichtung (36) befestigt ist.
Durchflussmesser, aufweisend: einen Durchflussmesserkörper (142) mit einem Durchflusskanal (144), wobei der Durchflussmesserkörper (142) eine sich von einer Außenoberfläche zu dem Durchflusskanal (144) erstreckende Öffnung definiert; nung (2; 102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,wobei die Isolationsmembrane (26; 126) im Wesentlichen mit der Form des Durchflusskanals (144) in dem Durchflussmesser-körper (142) übereinstimmt; und ein mit dem Durchflussmesserkörper (142) verbundenes Elektronikmodul (148).
Durchflussmesser nach Anspruch 13, wobei das das elektroakustische Signal erzeugende Element (18; 118) und die fluidartige Übertragungsschicht (28; 128) von der Außenoberfläche des Durchflussmesserkörpers (142) durch eine Glas/Metall-Dichtung getrennt sind.