DE102013005810A1

DE102013005810A1 - Method for operating an ultrasonic measuring arrangement and ultrasonic measuring arrangement

Info

Publication number: DE102013005810A1
Application number: DE102013005810.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Horn; Axel Schmidt-Schoenian
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallmesseinrichtung sowie einer Ultraschallmessanordnung (1). Zur Lösung der Aufgabe, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallmessanordnung zur Erfassung der Durchflussmessung eines Fluids sowie eine entsprechende Ultraschallmessanordnung zur Verfügung zu stellen, bei dem bzw. bei der bei vergleichsweise niedrigem Energiebedarf die Abhängigkeit von Durchflussmessungen vom Strömungsprofil reduziert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass von einer Ultraschallwandleranordnung (4) oder von einer Umlenkeinrichtung (11) eine im Querschnitt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung ringförmige Ultraschallfront erzeugt wird, deren Ultraschallwellen den Messkanal (3) parallel zur Mittellinie des Messkanals (3) oder schräg dazu orientiert durchlaufen.The present invention relates to a method for operating an ultrasonic measuring device and an ultrasonic measuring arrangement (1). To solve the problem of providing a novel method for operating an ultrasonic measuring arrangement for recording the flow measurement of a fluid and a corresponding ultrasonic measuring arrangement in which the dependency of flow measurements on the flow profile is reduced when the energy requirement is comparatively low, it is proposed according to the invention that that an ultrasonic transducer arrangement (4) or a deflecting device (11) generates an ultrasonic front which is annular in cross section perpendicular to its direction of propagation, the ultrasonic waves of which pass through the measuring channel (3) parallel to the center line of the measuring channel (3) or at an angle to it.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallmessanordnung zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluids sowie eine entsprechende Ultraschallmessanordnung.The present invention relates to a method for operating an ultrasonic measuring arrangement for detecting the flow rate of a fluid and to a corresponding ultrasonic measuring arrangement.

Technologischer HintergrundTechnological background

Ultraschallmessanordnungen werden vor allem für die Verbrauchsmessung von Wasser, Wärme, bzw. Kälte eingesetzt und arbeiten insbesondere auf der Basis des sogenannten Laufzeitdifferenzprinzips. Hierzu werden Ultraschallsignale durch einen von Fluid durchströmten Messkanal hindurch gesendet und zwar zum einen in Strömungsrichtung und zum anderen entgegen der Strömungsrichtung. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen der Ultraschallmessung in Strömungsrichtung sowie entgegen der Strömungsrichtung kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids rechnerisch ermittelt werden.Ultrasonic measuring arrangements are mainly used for the consumption measurement of water, heat, or cold and work in particular on the basis of the so-called time difference principle. For this purpose, ultrasonic signals are transmitted through a measuring channel through which fluid flows, namely in the direction of flow and on the other hand against the direction of flow. From the transit time difference between the ultrasonic measurement in the flow direction and against the flow direction, the flow velocity of the fluid can be determined by calculation.

Üblicherweise sind scheibenförmige Ultraschallwandler an einer Ausnehmung oder in einer Tasche im Gehäuse der Ultraschallmessanordnung mit ihrer Flächennormalen N senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet, sodass die ausgesendeten Ultraschallsignale in Form einer Ultraschallkeule zunächst senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufen, durch einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Umlenkspiegel dann in Längsrichtung zum Gehäuse umgelenkt werden, den Messkanal durchlaufen und am Ende des Messkanals über einen weiteren Umlenkspiegel wieder umgelenkt werden, sodass sie von einem weiteren Ultraschallwandler im Gehäuse empfangen werden können. Da sich die Umlenkspiegel sowie deren Halterung im Strömungsquerschnitt befinden, bewirken sie eine unerwünschte Beeinflussung des Strömungsprofils. Ein inhomogenes Strömungsprofil wirkt sich nachteilig auf die Messgenauigkeit aus. Das Strömungsprofil ist wiederum abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Um diese negativen Strömungseinflüsse zu minimieren, hat man versucht, das Strömungsprofil durch Strömungsleiteinrichtungen zu verbessern, was allerdings häufig zu einem erhöhten und deshalb unerwünschten Druckabfall führt. Zusätzlich erhöhen sich die Gestehungskosten der Geräte.Usually disc-shaped ultrasonic transducers are arranged on a recess or in a pocket in the housing of the ultrasonic measuring device with its surface normal N perpendicular to the longitudinal axis of the housing, so that the emitted ultrasonic signals in the form of an ultrasonic lobe initially perpendicular to the flow direction of the fluid, through a disposed inside the housing deflection mirror are then deflected in the longitudinal direction of the housing, pass through the measuring channel and are deflected at the end of the measuring channel via a further deflection mirror again, so that they can be received by another ultrasonic transducer in the housing. Since the deflecting mirror and its holder are in the flow cross-section, they cause an undesirable influence on the flow profile. An inhomogeneous flow profile adversely affects the measurement accuracy. The flow profile is in turn dependent on the flow velocity. In order to minimize these negative flow influences, attempts have been made to improve the flow profile by flow guides, which, however, often leads to an increased and therefore undesirable pressure drop. In addition, the production costs of the devices increase.

Druckschriftlicher Stand der TechnikPrinted prior art

Aus der DE 199 30 278 A1 ist ein Ultraschallzähler mit Schallumlenkung bekannt. Der Ultraschallzähler umfasst in Gehäuseöffnungen eingesetzte Ultraschallwandler zur Erzeugung von senkrecht zur Strömungsrichtung orientierten Ultraschallsignalen sowie den gesamten Strömungsquerschnitt durchsetzende Reflektoren zur Umlenkung der Ultraschallsignale, wobei die Reflektoren zur Gewährleistung einer reproduzierbaren Strömungsführung eine Mehrzahl einzelner Strömungsöffnungen zum direkten Durchleiten der Flüssigkeit in die Mess-Strecke aufweisen müssen. Allerdings wird durch diese Konstruktion ein nicht unerheblicher Druckabfall begründet.From the DE 199 30 278 A1 is an ultrasonic counter with sound deflection known. The ultrasound counter comprises ultrasound transducers inserted into housing openings for generating ultrasound signals oriented perpendicularly to the flow direction and reflectors for deflecting the ultrasound signals passing through the entire flow cross section, wherein the reflectors must have a plurality of individual flow openings for direct passage of the fluid into the measurement path to ensure reproducible flow guidance , However, a not insignificant pressure drop is justified by this construction.

Aus der EP 0 897 101 A1 ist ein Ultraschall-Durchflussmesser bekannt, bei dem oberhalb von Gehäuseöffnungen positionierte, in einem Wandlerträger untergebrachte Ultraschallwandler zur Erzeugung von senkrecht zur Strömungsrichtung orientierten Ultraschallsignalen vorgesehen sind. Die senkrecht zur Strömungsrichtung orientierten Ultraschallsignale werden von einem im Strömungskanal befindlichen Umlenkspiegel parallel zum Verlauf des Messkanals umgelenkt. Zur Minimierung des Strömungswiderstands ist der Umlenkspiegel mit einem halbkugelförmigen Verdrängungskörper ausgestattet.From the EP 0 897 101 A1 an ultrasonic flow meter is known in which are provided above housing openings, accommodated in a transducer carrier ultrasonic transducer for generating perpendicular to the flow direction oriented ultrasonic signals are provided. The ultrasonic signals oriented perpendicular to the flow direction are deflected parallel to the course of the measuring channel by a deflecting mirror located in the flow channel. To minimize the flow resistance of the deflection mirror is equipped with a hemispherical displacement body.

Die DE 44 16 367 C1 beschreibt ein Ultraschall-Durchfluss-Messgerät, welches zwei ringförmige piezoelektrische Wandler aufweist, die in Axialsymmetrie auf Abstand zueinander im Gehäuse angeordnet sind. Zur Berechnung der Durchflussmenge wird entweder eine gemessene Frequenzverschiebung oder ein gemessener Laufzeitunterschied herangezogen. Allerdings bewirkt diese bekannte Konstruktion ein erhebliches Maß an parasitärem Schall, was wiederum die Messgenauigkeit nachteilig beeinflusst. Zudem erfordert die bekannte Konstruktion ein erhöhtes Maß an Energie zur Erzeugung einer ausreichenden Signalstärke, was sich wiederum auf die Laufzeit der Batterie nachteilig auswirkt.The DE 44 16 367 C1 describes an ultrasonic flowmeter, which has two annular piezoelectric transducers, which are arranged in axial symmetry at a distance from one another in the housing. To calculate the flow rate either a measured frequency shift or a measured transit time difference is used. However, this known design causes a significant amount of parasitic noise, which in turn adversely affects the measurement accuracy. In addition, the known construction requires an increased amount of energy to generate a sufficient signal strength, which in turn has a detrimental effect on the battery life.

Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallmessanordnung zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluids sowie eine entsprechende Ultraschallmessanordnung zur Verfügung zu stellen, bei dem bzw. der bei vergleichsweise niedrigem Energiebedarf die Abhängigkeit der Durchflussmessungen vom Strömungsprofil reduziert ist.The object of the present invention is to provide a novel method for operating an ultrasonic measuring arrangement for detecting the flow rate of a fluid and a corresponding ultrasonic measuring arrangement in which the dependence of the flow measurements is reduced by the airfoil with comparatively low energy requirements.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die vorliegende Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass an der Ultraschallwandleranordnung oder an einer Umlenkeinrichtung eine im Querschnitt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung ringförmige Ultraschallfront (also eine Ultraschallfront, deren senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung geschnittener Querschnitt ringförming ist) erzeugt wird, deren Ultraschallwellen den Messkanal parallel und/oder schräg zu letzterem orientiert durchlaufen. Die Symmetrieachse der Ultraschallfront fällt mit der Längsachse des Messkanals zusammen. Die Ultraschallfront breitet sich entlang dieser Symmetrieachse aus. Ihre Ausbreitungsrichtung ist also parallel zu dieser.The present object is achieved in the generic method in that on the ultrasonic transducer assembly or on a deflection an annular in cross-section perpendicular to their direction of propagation ultrasonic front (ie an ultrasonic front whose cut perpendicular to their propagation direction cross section is ringförming) is generated whose ultrasonic waves the measuring channel run parallel and / or obliquely to the latter oriented. The symmetry axis of the ultrasonic front coincides with the longitudinal axis of the measuring channel together. The ultrasonic front propagates along this symmetry axis. Their direction of propagation is thus parallel to this.

Die ringförmige Ultraschallsignalfront kann an einer Stelle, die um den Messkanal herum positioniert ist, eingeleitet werden, so dass keine Strömungsleiteinrichtungen notwendig sind. Dadurch, dass die Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallsignalfront parallel oder schräg zur Längsachse des Messkanals orientiert verlaufen, durchsetzt im Gegensatz zum Stand der Technik eine über den Querschnitt des Messkanals homogene bzw. symmetrische Schallfront in Form der (Resultierenden der) ringförmigen Ultraschallfront den Messkanal und trifft an der Ultraschallwandleranordnung am gegenüberliegenden Ende der Messstrecke auf, so dass kein überhöhter Anfall von parasitärem Schall zu befürchten ist und daher zum einen die Messgenauigkeit nicht negativ beeinflusst wird und zum anderen kein überhöhter Energieverbrauch mit dem neuen Verfahren einhergeht.The annular ultrasonic signal front may be introduced at a location positioned around the measurement channel so that no flow directors are necessary. Because the ultrasonic waves of the annular ultrasonic signal front are oriented parallel or obliquely to the longitudinal axis of the measuring channel, in contrast to the prior art, a homogeneous or symmetrical sound front in the form of the (resulting) ring-shaped ultrasonic front penetrates the measuring channel and strikes the cross section of the measuring channel the ultrasonic transducer assembly at the opposite end of the measuring section, so that no excessive attack of parasitic sound is to be feared and therefore on the one hand the measurement accuracy is not adversely affected and on the other no excessive energy consumption associated with the new process.

Dadurch, dass die ringförmige Ultraschallsignalfront die Gehäusewand durchschallt, kann in konstruktiv besonders einfacher Weise außerhalb des Gehäuses eine Ultraschallwandleranordnung in Form eines Rings auf das Gehäuse, beispielsweise im Bereich einer Gehäuseabstufung, aufgesetzt werden.Because the annular ultrasonic signal front penetrates the housing wall, an ultrasonic transducer arrangement in the form of a ring can be placed on the housing, for example in the region of a housing graduation, outside the housing in a structurally particularly simple manner.

Vorzugsweise ist im Bereich eines jeden Endes eines Messkanals eine Umlenkung vorgesehen, die die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallsignalfront umlenkt (beispielsweise von parallel zur Längsachse in schräg zur Längsachse verlaufend) oder die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen der Ultraschallfront in eine ringförmige Ultraschallfront umlenkt (beispielsweise von einer senkrecht zur Mittellinie gerichteten Hauptausbreitungsrichtung in eine ringförmige Ultraschallfront, die parallel zur Längsachse der Ultraschallmessanordnung propagiert). In jedem Fall wird gewährleistet, dass Ultraschallwellen einer ringförmigen Ultraschallfront die Messstrecke entweder parallel oder in einem spitzen Winkel zur Mittelachse durchlaufen. Vorteilhaft kann die Ablenkung der Ultraschallwellen der Ultraschallsignalfront durch die Ausbildung der Gehäusewand erreicht werden. Beispielsweise erfolgt eine Ablenkung, wenn die durchschallte Wand z. B. keilförmig ist. Eine entsprechend geformte Gehäusewand ist vorzugsweise auch auf der gegenüberliegenden Seite der Messstrecke vorgesehen, um an der dortigen Stelle eine entsprechende Rück-Ablenkung zu begründen.Preferably, a deflection is provided in the region of each end of a measuring channel, which deflects the main propagation direction of the ultrasonic waves of the annular ultrasonic signal front (for example running parallel to the longitudinal axis obliquely to the longitudinal axis) or the main propagation direction of the ultrasonic waves of the ultrasonic front deflects (for example, from a directed perpendicular to the center line Hauptausbreitungsrichtung in an annular ultrasonic front propagating parallel to the longitudinal axis of the ultrasonic measuring device). In any case, it is ensured that ultrasonic waves of an annular ultrasonic front pass through the measuring path either parallel or at an acute angle to the central axis. Advantageously, the deflection of the ultrasonic waves of the ultrasonic signal front can be achieved by the formation of the housing wall. For example, a distraction occurs when the sonicated wall z. B. is wedge-shaped. A correspondingly shaped housing wall is preferably also provided on the opposite side of the measuring section in order to justify a corresponding back-deflection at the location there.

Alternativ oder zusätzlich kann die Ablenkung auch mittels geeigneter Ablenkeinrichtungen bzw. Reflektoren im Inneren des Gehäuses der Ultraschallmessanordnung erfolgen. Derartige Reflektoren besitzen Reflektionsflächen aus Edelstahl, Keramik oder Kunststoff. Entsprechende Ablenkeinrichtungen sind vorzugsweise konzentrisch um den Messkanal herum angeordnet und besitzen vorder- und rückseitige Schrägflächen, die zur Ablenkung der ringförmigen Ultraschallfront dienen.Alternatively or additionally, the deflection can also take place by means of suitable deflection devices or reflectors in the interior of the housing of the ultrasonic measuring arrangement. Such reflectors have reflection surfaces of stainless steel, ceramic or plastic. Corresponding deflection devices are preferably arranged concentrically around the measuring channel and have front and rear oblique surfaces which serve to deflect the annular ultrasonic front.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Bereich des Messkanals dessen gesamter Querschnitt, zumindest im Wesentlichen, von der Resultierenden der ringförmigen Ultraschallsignalfront erfasst. Es wird erreicht, zur Durchflussmessung den gesamten Strömungsquerschnitt relativ gleichmäßig mit einem Ultraschallfeld zu durchdringen, so dass die Abhängigkeit der Messung von in der Praxis oftmals nicht rotationssymetrischen Strömungsprofilen reduziert werden kann.According to the method according to the invention, the entire cross section, at least substantially, of the resultant of the annular ultrasonic signal front is detected in the region of the measuring channel. It is achieved to flow through the entire flow cross-section relatively uniformly with an ultrasonic field for flow measurement, so that the dependency of the measurement of often not rotationally symmetrical flow profiles can be reduced in practice.

Die auch nebengeordnet beanspruchte Ultraschallmessanordnung ist zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass die Normale der Abstrahlfläche der Ultraschallwandleranordnung parallel oder schräg zum Verlauf des Messkanals hin orientiert ist.The ultrasound measuring arrangement, which is also claimed as a subordinate claim, is designed to achieve the object stated at the outset by orienting the normal of the emitting surface of the ultrasonic transducer arrangement parallel or obliquely to the course of the measuring channel.

Alternativ kann die Normale der Abstrahlfläche der Ultraschallwandleranordnung, wie in der DE 44 16 367 C1 beschrieben, auch senkrecht zum Verlauf des Messkanals angeordnet sein, wobei allerdings erfindungsgemäß eine Umlenkung der ringförmigen, radial von Außen nach Innen zur Mittellinie der Ultraschallmessanordnung sich ausbreitenden Ultraschallfront durch eine Umlenkeinrichtung in eine parallel zur Längsachse der Ultraschallmessanordnung verlaufende, ringförmige Ultraschallsignalfront erfolgt.Alternatively, the normal of the radiating surface of the ultrasonic transducer assembly, as in DE 44 16 367 C1 described, also be arranged perpendicular to the course of the measuring channel, although according to the invention, a deflection of the annular, radially from outside to inside to the center line of the ultrasonic measuring device propagating ultrasonic front by a deflection in a parallel to the longitudinal axis of the ultrasonic measuring device extending annular ultrasonic signal front.

In beiden Fällen verlaufen somit Ultraschallwellen einer ringförmig ausgebildeten Ultraschallfront in ihrer Hauptausbreitungsrichtung parallel zur Ultraschallmessstrecke bzw. im schrägen Winkel hierzu.In both cases, therefore, ultrasonic waves of a ring-shaped ultrasonic front run in their main propagation direction parallel to the ultrasonic measuring path or at an oblique angle thereto.

Zur Erzeugung der Ultraschallfront kann die Ultraschallwandleranordnung entweder als ringförmiger Piezokeramikkörper, als Anordnung ringabschnittsförmiger Piezokeramikkörper oder als Anordnung aus ringförmig oder ringabschnittsförmig angeordneten Piezokeramikscheiben aufgebaut sein.In order to generate the ultrasonic front, the ultrasonic transducer arrangement can be constructed either as an annular piezoceramic body, as an arrangement of ring-piezoceramic bodies or as an arrangement of piezoceramic disks arranged annularly or in the form of ring sections.

Zur Schalldurchlässigkeit der Wand ist das Gehäuse aus Kunststoff, vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebaut. Sofern die Piezokeramiken aus mehreren Segmenten bestehen, ergeben sich hierbei produktionstechnische Vorteile. Sofern mehrere Segmente von Piezokeramiken verwendet werden, sollten diese mit identischer Polarisationsausrichtung anordnet sein.For sound transmission of the wall, the housing is made of plastic, preferably glass fiber reinforced plastic. If the piezoceramics consist of several segments, this results in production-related advantages. If several segments of piezoceramics are used, they should be arranged with identical polarization orientation.

Zur Verbesserung der akustischen Ankopplung der Piezokeramiken an der Gehäusewandung wird vorzugsweise eine Schallankopplungspaste verwendet.To improve the acoustic coupling of the piezoceramics to the housing wall For example, a sound coupling paste is preferably used.

Sofern das Gehäuse einen senkrecht oder schräg zum Verlauf des Messkanals verlaufenden Wandbereich aufweist, kann die jeweilige Anordnung bestehend aus einem Piezokeramikring oder mehreren Piezokeramikringsegmenten oder einzelnen Piezokeramikscheiben in besonders einfacher Weise an der Außenwandseite des Gehäuses fixiert werden.If the housing has a wall region extending perpendicularly or at an angle to the course of the measuring channel, the respective arrangement comprising a piezoceramic ring or a plurality of piezoceramic ring segments or individual piezoceramic disks can be fixed in a particularly simple manner to the outer wall side of the housing.

Zweckmäßigerweise ist die Konstruktion auf der Sendeseite sowie der Empfangsseite bezüglich der Gehäuseausbildung und/oder der Umlenkeinrichtungen und/oder der Ausbildung der Ultraschallwandleranordnung spiegelbildlich bzw. symmetrisch ausgebildet.Conveniently, the construction on the transmitting side and the receiving side with respect to the housing formation and / or the deflecting means and / or the formation of the ultrasonic transducer assembly is formed in mirror image or symmetrical.

Beschreibung der Erfindung anhand von AusführungsbeispielenDescription of the invention with reference to embodiments

Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:Advantageous embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to drawing figures. Show it:

1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt; 1 a greatly simplified schematic diagram of a first embodiment of the present invention in longitudinal section;

2 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt; 2 a simplified schematic diagram of a second embodiment of the present invention in longitudinal section;

3 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt; 3 a simplified schematic diagram of a third embodiment of the present invention in longitudinal section;

4 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt; 4 a highly simplified schematic diagram of a fourth embodiment of the present invention in longitudinal section;

5 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt sowie 5 a simplified schematic diagram of a fifth embodiment of the present invention in longitudinal section and

6 eine Darstellung verschiedener Möglichkeiten des Aufbaus einer Ultraschallwandleranordnung zur Erzeugung einer ringförmigen Ultraschallsignalfront unter Verwendung ringförmiger bzw. ringabschnittsförmiger Piezokeramikkörper (6A) sowie einzelner ringförmig angeordneter, scheibenförmiger Piezokeramikkörper (6B). 6 4 shows a representation of various possibilities of constructing an ultrasonic transducer arrangement for producing an annular ultrasonic signal front using ring-shaped or ring-shaped piezoceramic bodies ( 6A ) and individual ring-shaped, disc-shaped piezoceramic body ( 6B ).

Die Bezugsziffer 1 in 1 kennzeichnet eine Ultraschallmessanordnung, wie sie üblicherweise zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluids, z. B. Kaltwasser, Warmwasser oder dergleichen, in der Wasserwirtschaft sowie der Wärme- bzw. Kälteversorgung zum Einsatz kommt. Die Ultraschallmessanordnung 1 ist als Einrohranschlussstück ausgebildet und umfasst ein Gehäuse 2, vorzugsweise aus Kunststoff, welches an einer Seite mit einem Zulauf 13 sowie auf der anderen Seite mit einem Ablauf 14 ausgestattet ist. Die Ultraschallmessanordnung 1 wird an geeigneter Stelle in ein Fluidversorgungsnetz, z. B. Warmwasser- oder Kaltwasserversorgungsnetz, installiert.The reference number 1 in 1 indicates an ultrasonic measuring arrangement, as usually for detecting the flow rate of a fluid, for. As cold water, hot water or the like, in the water industry and the heating or cooling supply is used. The ultrasonic measuring arrangement 1 is formed as Einrohranschlussstück and includes a housing 2 , preferably made of plastic, which on one side with an inlet 13 as well as on the other side with a drain 14 Is provided. The ultrasonic measuring arrangement 1 is at a suitable location in a fluid supply network, eg. B. hot water or cold water supply network installed.

Die Ultraschallmessanordnung 1 umfasst zur Erzeugung der Ultraschallsignale eine Ultraschallwandleranordnung 4a im Bereich des Zulaufs 13 sowie eine weitere Ultraschallwandleranordnung 4b im Bereich des Ablaufs 14. Beide Ultraschallwandleranordnungen 4a sowie 4b sind jeweils im Bereich des Zulaufs 13 sowie Ablaufs 14 konzentrisch um die Längsachse L-L herum verlaufend angeordnet. Zwischen den beiden Ultraschallwandleranordnungen 4a, 4b befindet sich der Messkanal 3. Die Ultraschallwandleranordnungen 4a, 4b sind in einer Gehäusestufung angeordnet, derart, dass die Normale der Abstrahlfläche 8 parallel zum Verlauf des Messkanals 3 bzw. der Längsachse L-L der Ultraschallmessanordnung 1 orientiert ist. Ein bei Anregung der Ultraschallwandleranordnung 4a an der Hauptabstrahlfläche 8 erzeugte, ringförmige Ultraschallsignalfront durchschallt zunächst den Wandbereich 9 des Gehäuses 2 und wird an der Grenzfläche zwischen Gehäuse 2 und Fluid im Inneren des Gehäuses aufgrund der Keilform des Wandbereichs 9 konzentrisch zur Mittellinie L-L hin gebrochen. Die Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront laufen damit entlang des Messkanals 3 zusammen und erweitern sich nach dem Durchlauf der halben Länge des Messkanals 3 wieder nach außen zu der zweiten Ultraschallwandleranordnung 4b. Dort wird beim Eintritt der Resultierenden der ringförmigen Ultraschallfront am keilförmigen Wandbereich die Hauptausbreitungsrichtung 6 der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront wieder parallel zur Längsachse L-L gebrochen.The ultrasonic measuring arrangement 1 includes an ultrasonic transducer assembly for generating the ultrasonic signals 4a in the area of the inlet 13 and another ultrasonic transducer assembly 4b in the area of the process 14 , Both ultrasonic transducer assemblies 4a such as 4b are each in the range of the inlet 13 as well as expiration 14 arranged concentrically around the longitudinal axis LL running around. Between the two ultrasonic transducer assemblies 4a . 4b is the measuring channel 3 , The ultrasonic transducer assemblies 4a . 4b are arranged in a housing classification, such that the normal of the radiating surface 8th parallel to the course of the measuring channel 3 or the longitudinal axis LL of the ultrasonic measuring arrangement 1 is oriented. An upon excitation of the ultrasonic transducer assembly 4a at the main radiating surface 8th produced, annular ultrasonic signal front initially through the wall area 9 of the housing 2 and is at the interface between housing 2 and fluid inside the housing due to the wedge shape of the wall portion 9 concentric to the midline LL broken. The ultrasonic waves of the annular ultrasonic front thus run along the measuring channel 3 together and expand after passing half the length of the measuring channel 3 back out to the second ultrasonic transducer assembly 4b , There, when the resultants of the annular ultrasonic front on the wedge-shaped wall region enter the main propagation direction 6 the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front again broken parallel to the longitudinal axis LL.

Die Erfindung ermöglicht es, ohne Strömungsleiteinrichtungen auszukommen. Die Messung ist daher nicht durch nachteilige Strömungsinhomogenitäten beeinflusst. Darüber hinaus erfolgt aufgrund der Festlegung der Hauptausbreitungsrichtung 6 der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront eine hochwirksame Auswertung des Ultraschallsignals bei vergleichsweise geringem parasitärem Schallanteil. Damit lässt sich auch der Energiebedarf reduzieren und die Akkulaufzeit verlängern. Zudem lässt sich unabhängig von der Baugröße eine Ultraschallmessung über den gesamten Strömungsquerschnitt durchführen. Die Durchflussmessung wird unabhängiger vom Strömungsprofil, da sich der Bereich, in dem die Strömung zum Messeffekt beiträgt, nicht auf eine Ultraschallkeule auf der Symmetrieachse oder eine schräg die Strömung durchlaufende Ultraschallkeule beschränkt.The invention makes it possible to manage without flow guides. The measurement is therefore not influenced by adverse flow inhomogeneities. In addition, due to the definition of the main propagation direction 6 the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front a highly effective evaluation of the ultrasonic signal at comparatively low parasitic sound content. This can also reduce the energy consumption and extend the battery life. In addition, regardless of the size, an ultrasonic measurement can be carried out over the entire flow cross-section. Flow measurement becomes more independent of the airfoil, as the area where the flow contributes to the measurement effect is not limited to an ultrasonic lobe on the axis of symmetry or an ultrasonic lobe passing through the flow.

Die Ausgestaltung nach 2 entspricht im Aufbau der Ausgestaltung nach 1 mit dem Unterschied, dass an Stelle einer Ablenkung der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront im Wandbereich 9 eine Umlenkung der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront zur Mittellinie L-L hin durch einen insbesondere konzentrisch angeordneten Schallleitkörper 10 bzw. Reflektor erfolgt. Analog zu der Ausgestaltung nach 1 wird auf der gegenüberliegenden Seite die Resultierende der ringförmigen Ultraschallfront wieder parallel zur Mittellinie L-L hin projiziert, sodass ein ringförmiger Anteil der Ultraschallfront bzw. der Resultierenden in der Ultraschallwandleranordnung 4b empfangen werden kann. The design after 2 corresponds in structure to the embodiment according to 1 with the difference that instead of a deflection of the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front wall 9 a deflection of the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front to the center line LL through a particular concentrically arranged Schallleitkörper 10 or reflector takes place. Analogous to the embodiment according to 1 On the opposite side, the resultant of the annular ultrasonic front is again projected parallel to the center line LL, so that an annular portion of the ultrasonic front or the resultant in the ultrasonic transducer assembly 4b can be received.

Bei der Ausgestaltung nach 2 ist der Umlenkkörper 10 als Vollmaterial ausgebildet. Demgegenüber kann ein Umlenkkörper, wie aus 3 ersichtlich, auch einen Schallleitkörper 10 in Form eines Hohlkörpers oder eines einen Hohlkörper bildenden Formteils aufweisen.In the embodiment according to 2 is the deflecting body 10 designed as solid material. In contrast, a deflecting, as from 3 also visible, a Schallleitkörper 10 in the form of a hollow body or a molding forming a hollow body.

Bei der Ausgestaltung nach 4 wird eine radial nach innen verlaufende Ultraschallfront von der Abstrahlfläche 8 aus erzeugt, die auf eine kegelförmige Anordnung einer Umlenkeinrichtung 11 trifft und von dieser umgelenkt wird, so dass nach der Umlenkung eine ringförmige Ultraschallfront mit Hauptausbreitungsrichtung 6 ihrer Ultraschallwellen parallel zur Längsachse L-L der Ultraschallmessanordnung 1 von der einen Seite des Messkanals zur anderen Seite des Messkanals läuft. Die Umlenkeinrichtung 11 ist über eine geeignete Halterung 12 im Einlaufbereich oder kurz danach positioniert. An der Vorderseite der Umlenkeinrichtung befindet sich eine gekrümmte Anströmkontur 7.In the embodiment according to 4 becomes a radially inwardly extending ultrasonic front of the radiating surface 8th generated from that on a conical arrangement of a deflection 11 and is deflected by this, so that after the deflection, an annular ultrasonic front with main propagation direction 6 their ultrasonic waves parallel to the longitudinal axis LL of the ultrasonic measuring arrangement 1 from one side of the measuring channel to the other side of the measuring channel. The deflection device 11 is about a suitable holder 12 positioned in the inlet area or shortly thereafter. At the front of the deflection is a curved Anströmkontur 7 ,

Bei der Ausgestaltung nach 5 ist der Wandbereich 9 schräg verlaufend angeordnet, sodass eine an der Außenseite angebrachte Ultraschallwandleranordnung 4a ebenfalls im schrägen Winkel zur Längsachse L-L angeordnet werden kann. Bei dieser Ausgestaltung ist keine Umlenkung der Hauptausbreitungsrichtung 6 der Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallfront notwendig.In the embodiment according to 5 is the wall area 9 arranged obliquely, so that a mounted on the outside of the ultrasonic transducer assembly 4a can also be arranged at an oblique angle to the longitudinal axis LL. In this embodiment, no deflection of the main propagation direction 6 the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front necessary.

Sämtliche Ausgestaltungen haben gemeinsam, dass diese über eine (nichtdargestellte) elektronische Auswerteeinrichtung der von der Ultraschallwandleranordnung 4a bzw. 4b empfangenen Ultraschallsignale verfügen. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auf Ultraschallmessanordnungen 1 mit unterschiedlichen Dimensionen angewandt werden. Die konstruktiven Maßnahmen sind sehr einfach, da Strömungsleitprofile oder dergleichen entfallen. Bei allen Ausgestaltungen bis auf die Ausgestaltung der 4 durchdringen die Ultraschallwellen der ringförmigen Ultraschallsignalfront die Messstrecke 3 zum einen spitzwinkelig zur Mittellinie L-L konvergierend sowie von der Schnittstelle mit der Längsachse L-L aus wieder in spitzem Winkel von der Mittellinie L-L weg divergierend. Hierdurch wird vor allem im mittleren Bereich des Messkanals 3 eine sehr hohe Ultraschalldichte gewährleistet.All configurations have in common that these via an (not shown) electronic evaluation of the ultrasonic transducer assembly 4a respectively. 4b received ultrasonic signals. The principle according to the invention can be applied to ultrasonic measuring arrangements 1 be applied with different dimensions. The design measures are very simple, since Strömungsleitprofile or the like omitted. In all embodiments except for the embodiment of 4 The ultrasonic waves of the annular ultrasonic signal front penetrate the measuring path 3 converging at an acute angle to the center line LL and diverging away from the center line LL again at an acute angle from the interface with the longitudinal axis LL. This is especially in the middle of the measuring channel 3 ensures a very high ultrasonic density.

Zur Erzeugung der ringförmigen Ultraschallsignalfront können die hierfür zu verwendenden Piezokeramikkörper 5 unterschiedlich ausgebildet sein.To generate the annular ultrasonic signal front, the piezoceramic bodies to be used for this purpose can be used 5 be formed differently.

Wie aus 6A, rechte Seite ersichtlich, kann ein einteiliger, geschlossen ringförmiger Piezokeramikkörper 5d verwendet werden. Alternativ können, aus herstellungstechnischen Gründen bedingt, auch Ringsegmentabschnitte eingesetzt werden, die die Piezokeramikkörper 5a, 5b sowie 5c in ihrer Gesamtheit bilden.How out 6A , Right side can see a one-piece, closed ring piezoceramic body 5d be used. Alternatively, due to manufacturing reasons, also ring segment sections are used, which are the piezoceramic body 5a . 5b such as 5c in their entirety.

Alternativ kann auch eine Ultraschallwandleranordnung 4 in Form eines ringförmigen Gebildes einzelner, scheibenförmiger Piezokeramikkörper 5e zum Einsatz kommen, wie dies in 6B dargestellt ist.Alternatively, an ultrasonic transducer assembly 4 in the form of an annular structure of individual, disk-shaped piezoceramic body 5e be used, as in 6B is shown.

Die Piezokeramikkörper 5 werden mittels einer (nichtdargestellten) Schallleitpaste an die Kunststoffwand des Gehäuses 2 akustisch angekoppelt. Das Gehäuse 2 besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Parasitäre Schallanteile sind aufgrund des Einsatzes eines glasfaserverstärkten Kunststoffes nicht zu befürchten.The piezoceramic body 5 be by means of a (not shown) Schallleitpaste to the plastic wall of the housing 2 acoustically coupled. The housing 2 is preferably made of glass fiber reinforced plastic. Parasitic noise levels are not to be feared due to the use of a glass fiber reinforced plastic.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: UltraschallmessanordnungUltrasonic measuring arrangement
22: Gehäusecasing
33: Messkanalmeasuring channel
44: UltraschallwandleranordnungUltrasound transducer assembly
55: PiezokeramikkörperPiezoceramic body
66: HauptausbreitungsrichtungMain propagation direction
77: AnströmkonturAnströmkontur
88th: Abstrahlflächeradiating
99: Wandbereichwall area
1010: SchallleitkörperSchallleitkörper
1111: Umlenkeinrichtungdeflecting
1212: Halterungbracket
1313: ZulaufIntake
1414: Ablaufprocedure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0897101 A1 [0005]
DE 4416367 C1 [0006, 0015]

Claims

Method for operating an ultrasonic measuring arrangement for detecting the flow rate of a fluid, wherein the ultrasonic measuring arrangement ( 1 ) a housing ( 2 ), one inside the housing ( 2 ) arranged measuring channel ( 3 ), which can be traversed by the fluid, as well as at least one ultrasonic transducer arrangement ( 4 ), which is intended to transmit ultrasonic signals into the measuring channel ( 3 ) and / or out of the measuring channel ( 3 The ultrasound signals in each case pass through the fluid and the direction-dependent transit time differences of the ultrasound signals serve to determine the flow rate, characterized in that an ultrasound signal front which is annular in cross section perpendicular to its propagation direction is generated and the ultrasound waves of the annular ultrasound signal front 3 ) run parallel or diagonally to the latter oriented.

A method according to claim 1, characterized in that the annular ultrasonic signal front through the housing wall.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the main propagation direction ( 6 ) the ultrasonic waves of the annular ultrasonic signal front is deflected or the main propagation direction ( 6 ) the ultrasonic waves of an ultrasonic front is deflected into an annular ultrasonic front.

Method according to claim 3, characterized in that the main propagation direction ( 6 ) of the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front initially parallel to the center line of the measuring channel ( 3 ) and then obliquely to the center line of the measuring channel ( 3 ) is deflected out.

Method according to claim 3, characterized in that the main propagation direction ( 6 ) of the ultrasonic waves of the annular ultrasonic front initially perpendicular or oblique to the longitudinal axis and then parallel to the measuring channel ( 3 ) is deflected.

Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that the deflection is effected by the formation of the housing wall or a deflection device.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the region of the measuring channel ( 3 ) whose entire cross-section, at least substantially, is detected by, in particular, the resultant of the ultrasonic signal front.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that an outer ring in particular of the resultant of the ultrasonic signal front at the end of the measuring channel ( 3 ) is recorded and evaluated.

Ultrasonic measuring arrangement for detecting the flow rate of a fluid, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, with a housing ( 2 ), one inside the housing ( 2 ) arranged measuring channel ( 3 ), which can be traversed by the fluid, at least one ultrasonic transducer assembly ( 4 ), which is intended to transmit ultrasonic signals into the measuring channel ( 3 ) and / or out of the measuring channel ( 3 ) receive ultrasound signals, wherein the ultrasonic signals in each case pass through the fluid and the direction-dependent transit time differences of the ultrasonic signals of the determination of the flow rate are used and the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) is rotationally symmetrical, in particular ring-shaped, characterized in that the normal of the radiating surface ( 8th ) of the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) parallel or obliquely to the course of the measuring channel ( 3 ) is oriented.

Ultrasonic measuring arrangement for detecting the flow rate of a fluid, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, with a housing ( 2 ), one inside the housing ( 2 ) arranged measuring channel ( 3 ), which can be traversed by the fluid, at least one ultrasonic transducer assembly ( 4 ), which is intended to transmit ultrasonic signals into the measuring channel ( 3 ) and / or out of the measuring channel ( 3 ), wherein the ultrasonic signals in each case pass through the fluid and serve the direction-dependent transit time differences of the ultrasonic signals for determining the flow rate, characterized in that the normal of the emitting surface ( 8th ) of the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) perpendicular to the course of the measuring channel ( 3 ) and a deflection device in the measuring channel ( 3 ) is provided.

Ultrasonic measuring arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the ultrasonic transducer arrangement ( 4 ) as a ring-shaped piezoceramic body ( 5a ) or from ring-section-shaped piezoceramic bodies ( 5b ) or piezoceramic disks ( 5c ) is constructed.

Ultrasonic measuring arrangement according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that the wall of the housing ( 2 ) is sound transmissive and the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) on the outside of the housing ( 2 ) is acoustically coupled, wherein the sound-permeable wall area ( 9 ) of the housing ( 2 ) preferably a change in the sound propagation direction ( 6 ) of the ultrasonic signal, in particular has a wedge-shaped cross-sectional area.

Ultrasonic measuring arrangement according to at least one of claims 9 to 12, characterized in that Schallleitkörper ( 10 ), preferably concentrically the center line LL of the measuring channel ( 3 ), in the housing ( 2 ) or as part of the housing ( 2 ) are provided.

Ultrasonic measuring arrangement according to at least one of claims 9 to 13, characterized in that the housing ( 2 ) a perpendicular or oblique to the course of the measuring channel ( 3 ) extending wall area ( 9 ), and the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) on the wall area ( 9 ) is arranged.

Ultrasonic measuring arrangement according to at least one of claims 9 to 14, characterized in that the construction on the transmitting side and receiving side of the ultrasonic transducer assembly ( 4 ) is symmetrical.