DE102013101950A1 - Anordnung und Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien - Google Patents

Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, womit eine einfache robuste Messung ermöglicht wird und der Aufwand zur Kalibrierung vermindert wird. Die vorliegende Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass eine erste Gruppe bestehend aus einer Anzahl N von Ultraschallwandlern in einem ersten Kanalwandabschnitt integriert angeordnet ist, dass eine zweite Gruppe bestehend aus der Anzahl N von Ultraschallwandlern in einem dem ersten Kanalwandabschnitt gegenüberliegenden zweiten Kanalwandabschnitt integriert angeordnet ist und dass die Gruppen zueinander um einen Abstand s_A in einer Strömungsrichtung des Strömungskanals verschoben angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien, bestehend aus einem Strömungskanal-Abschnitt mit einem rechteckigen Querschnitt und Ultraschallwandlern zur Erzeugung eines Ultraschallsignals zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien, bei welchem ein elektrisches Signal in einem Ultraschallwandler in eine mechanische Verformung gewandelt und dabei Ultraschalwellen erzeugt werden.
• Die vorliegende Anordnung und das Verfahren dienen speziell der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Durchflussraten und -mengen in rechteckigen Strömungskanälen, welcher beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt wurde. Die Messung erfolgt im Ultraschallbereich, wobei diese nach dem Laufzeitverfahren durchgeführt wird.
• Die Abstrahlung von Ultraschallwellen erfolgt bei Ultraschallwandlern, welche beispielsweise außerhalb oder innerhalb eines Strömungskanals eingesetzt werden durch die Wandlung einer elektrischen Spannung in mechanische Verformung, wobei Amplitude, Frequenz und die Form der elektrischen Spannung derart gewählt wird, dass Schwingungen im Ultraschallbereich generiert werden.
• Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialalterung oder Temperatureinfluss schwankt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Verbundwerkstoffen. Infolgedessen ändern sich die Schalllaufzeiten im zu messenden Strömungskanal ebenfalls. Ohne Korrektur dieser Änderungen ergeben sich erhöhte Messunsicherheiten für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit.
• Ultraschalldurchflusssensoren nach dem aktuellen Stand der Technik arbeiten mit auf die Wand des Strömungskanals aufgeschnallten (clamp on) oder in den Kanal eingelassenen (inline) Ultraschallwandlern, welche an der Innenseite der Kanalwände befestigt werden.
• Die Ultraschallabstrahlung erfolgt bei diesen innenliegenden Ultraschalldurchflusssensoren direkt durch Ankopplung an das strömende Fluid.
• Im Fall der außerhalb des Strömungskanals angebrachten Ultraschalldurchflusssensoren erfolgt zuerst eine Durchschallung der Kanalwand, ehe das strömende Fluid durchdrungen werden kann. Eine Korrektur der fertigungs- und materialalterungsbedingten, erhöhten Messunsicherheit erfolgt bei allen Ultraschalldurchflusssensoren nach dem Stand der Technik, d. h. sowohl für Aufschnall- als auch für Einbauwandler, durch aufwendige Erstkalibrierungen nach der Fertigung sowie später, bei einer durchzuführenden Wartung derartiger Messsysteme.
• Die innerhalb des Strömungskanals eingelassenen Ultraschallwandler sind dem strömenden Fluid ausgesetzt. Dadurch stören sie zum einen die laminare Strömung, zum anderen verschleißen die Wandler bei chemisch aggressiven oder abrasiven Fluiden schneller. Die Aufschnallwandler weisen diese Nachteile nicht auf, benötigen allerdings mehr Raum außerhalb des Strömungskanals.
• Die Ultraschallwandler bekannter Ultraschalldurchflusssensoren sind nicht kostengünstig in Großserien herstellbar, die Herstellung dieser Sensoren erfordert eine Vielzahl an Prozessschritten.
• Nach der Fertigung von Ultraschalldurchflusssensoren nach dem aktuellen Stand der Technik müssen diese in speziellen Aufbauten kalibriert werden, um geringstmögliche Messunsicherheiten zu gewährleisten. Dieser zusätzliche und aufwendige Prozessschritt des Fertigungsprozesses verursacht hohe Fertigungskosten.
• Die alterungsbedingten Materialparameteränderungen können bei diesen Ultraschalldurchflusssensoren nur durch Ausbau aus bzw. Abschnallen von dem Strömungskanal und anschließender externer Kalibrierung erfasst und korrigiert werden. Dies führt zur temporären Stilllegung des Strömungskanals. Zusätzlich zu den Kosten der externen Kalibrierung entstehen dadurch Kosten für den Ausfall der betroffenen Strömungskanäle. Zwar existieren Verfahren, die eine Kalibrierung im eingebauten Zustand erlauben, diese bedürfen allerdings einer hochgenauen Vermessung des Innenvolumens von Sensoren und damit der Verwendung zusätzlicher Messgeräte, wie beispielsweise aus der EP 1 636 554 bekannt ist.
• Insbesondere bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen zur Herstellung eines Strömungskanals und außerhalb des Kanals angeordneter Ultraschalldurchflusssensoren sind die für die Durchflussmessung nach dem Laufzeitverfahren wichtigen physikalischen Größen von der Dichte, dem anisotropen Elastizitätsmodul sowie der Dicke der Kanalwände abhängig, welche bei den üblichen Herstellungsverfahren von Verbundwerkstoffbauteilen größeren Schwankungen unterliegen. Dadurch ergibt sich ohne Korrektur der fertigungsbedingten Toleranzen eine unbefriedigend hohe Messunsicherheit.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien anzugeben, womit eine einfache robuste Messung ermöglicht wird und der Aufwand zur Kalibrierung vermindert wird.
• Auch sollen Materialparameteränderungen beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialalterung und Temperaturveränderungen kompensiert werden.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine erste Gruppe bestehend aus einer Anzahl N von Ultraschallwandlern in einem ersten Kanalwandabschnitt integriert angeordnet ist, dass eine zweite Gruppe bestehend aus der Anzahl N von Ultraschallwandlern in einem dem ersten Kanalwandabschnitt gegenüberliegenden zweiten Kanalwandabschnitt integriert angeordnet ist und dass die Gruppen zueinander um einen Abstand s_A in einer Strömungsrichtung des Strömungskanals verschoben angeordnet sind.
• Dieser erfindungsgemäß vorbereitete Strömungskanal-Abschnitt wird Bestandteil eines Kanals, in welchem ein fluides Medium beispielsweise eine Flüssigkeit transportiert wird. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums wird in einem ersten Kanalwandabschnitt eine erste Gruppe von Ultraschallwandlern integriert. Eine derartige Gruppe umfasst mindestens zwei oder mehr Wandler. In einem diesem ersten Kanalwandabschnitt gegenüberliegenden zweiten Kanalwandabschnitt wird eine zweite Gruppe von Ultraschallwandlern, welche ebenfalls mindestens zwei Wandler beinhaltet, in der Kanalwand integriert.
• Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Ultraschallabstrahlung indirekt über die Erzeugung von Plattenwellen in einem Kanalwandabschnitt, in welchem mindestens zwei Ultraschallwandler integriert sind. Hierbei bedeutet integriert, dass die Ultraschallwandler in einem Fertigungsschritt, bei welchem der beispielsweise aus mehreren Lagen eines Laminatverbunds bestehende Kanalabschnitt selbst hergestellt wird, in die Kanalwandabschnitte eingelassen werden, sodass die Ultraschallwandler weder von außerhalb noch von innerhalb des Strömungskanals sichtbar oder zugänglich sind.
• Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Gruppen ist vorgesehen, dass diese nicht gegenüber, sondern um einen Abstand s_A zueinander in einer Strömungsrichtung des Strömungskanals verschoben angeordnet werden. Das heißt, dass sich zwischen dem ersten Ultraschallwandler der ersten Gruppe und dem ersten Ultraschallwandler der zweiten Gruppe sowie den jeweils zweiten, dritten und n-ten Wandlern jeweils der Abstand s_A ergibt.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl N gleich oder größer als zwei ist.
• Es ist vorgesehen, in jeder Gruppe zwei oder mehr Ultraschallwandler zu integrieren. Die Anzahl der Wandler wird in dieser Beschreibung mit N angegeben. Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl N der Ultraschallwandler der ersten Gruppe der Anzahl N der Ultraschallwandler der zweiten Gruppe.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei benachbarte Ultraschallwandler innerhalb einer Gruppe in einem Abstand s_w,i voneinander beabstandet, in der Strömungsrichtung des Strömungskanals, angeordnet sind.
• Die Erfindung sieht vor, dass zwei benachbarte Ultraschallwandler einer beliebigen Gruppe in einem Abstand S_W,i voneinander angeordnet sind. Somit beträgt in einer Gruppe bestehend aus vier Wandlern der Abstand beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler der Gruppe s_w,i zwischen dem ersten und dem dritten Wandler der Gruppe zweimal s_w,i und zwischen dem ersten und dem vierten Wandler innerhalb dieser Gruppe der Abstand dreimal s_w,i.
• In einer anderen Variante kann beispielsweise zwischen dem ersten und zweiten Wandler der Abstand s_w,1 und zwischen dem zweiten und dem dritten Wandler der Abstand s_w,2 liegen wobei s_w,1 ≠ s_w,2 ist. Somit ist der Abstand zwischen dem ersten und dem dritten Wandler dann s_w,1 + s_w,2.
• In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallwandler diskrete Wandler sind.
• Es ist vorgesehen, als Ultraschallwandler sogenannte diskrete Wandler oder Bauelemente zu nutzen. Diese sind als fertige Bauelemente auf dem Markt verfügbar und werden bei der Herstellung eines aus mehreren Lagen bestehenden Strömungskanals in einem mittleren Verfahrensschritt zwischen den Lagen des Verbundwerkstoffes eingefügt.
• In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallwandler aus einer piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Schicht und aus einer oder mehreren über dieser Schicht angeordneten Elektrodenmatten gebildet werden.
• In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, in den Lagenaufbau des Strömungskanals eine piezoelektrische Eigenschaften aufweisende Schicht anzuordnen. Zur Ausbildung der Ultraschallwandler werden über dieser Schicht sogenannte Elektrodenmatten aufgebracht, welche mit der piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Schicht entsprechend kontaktiert werden.
• In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallwandler zur Ansteuerung und Signalverarbeitung über Anschlussleitungen mit einer Steuer- und Messanordnung verbunden sind.
• Die erfindungsgemäß in den Kanalabschnitten integrierten Ultraschallwandler werden zur Ansteuerung und zur Signalverarbeitung über Anschlussleitungen mit einer sogenannten Steuer- und Messanordnung verbunden. Die Steueranordnung ermöglicht es, die Ultraschallwandler einzeln und nacheinander mit elektrischen Impulsen anzusteuern. Derartige Impulse können zeitbegrenzte Sinusschwingungen sein, deren Amplituden variieren. Da die eingesetzten Ultraschallwandler sowohl elektrische Signale in mechanische Verformungen als auch mechanische Verformungen in elektrische Signale wandeln können, ist es möglich, die Wandler sowohl in der sendeseitigen ersten Gruppe als auch in der empfangsseitigen zweiten Gruppe einzusetzen. Die Wandler der zweiten Gruppe sind zur Signalverarbeitung über ihre Anschlussleitungen mit der Messanordnung verbunden.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch die mechanische Verformung Plattenwellen in einem ersten Kanalwandabschnitt eines Strömungskanals erzeugt werden, dass diese Plattenwellen Ultraschallwellen in das fluide Medium im Strömungskanal abstrahlen, welche sich durch das fluide Medium im Strömungskanal ausbreiten, dass diese Ultraschallwellen zu einem Ultraschallsignale empfangenden Ultraschallwandler gelangen und von diesem, in einem Kanalwandabschnitt eines Strömungskanals integrierten Ultraschallwandler, in eine elektrische Spannung gewandelt werden und dass diese Spannung ausgegeben wird.
• Durch die Integration der Ultraschallwandler in die Kanalwandabschnitte werden durch die mittels eines elektrischen Impulses angesteuerten Wandler mechanische Verformungen hervorgerufen, welche Plattenwellen generieren. Diese breiten sich von dem die Plattenwellen generierenden Kanalwandabschnitt quer durch das fluide Medium des Strömungskanals zum gegenüberliegenden Kanalwandabschnitt aus.
• Die in diesem Kanalwandabschnitt integrierten Wandler wandeln diese Plattenwellen in elektrische Signale und geben diese zur nachfolgenden Auswertung aus. Hierbei durchlaufen die Wellen eine Schallstrecke im Fluid und eine Schallstrecke in einem Kanalwandteil auf ihrem Weg vom Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Empfänger.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Signal eine zeitbegrenzte Sinusschwingung ist.
• Es ist vorgesehen, zur Ansteuerung der Ultraschallwandler elektrische Signale zu nutzen, welche eine zeitbegrenzte Sinusschwingung darstellen. Derartige Schwingungen können beispielsweise aus einer festgelegten Anzahl von Sinusschwingungen mit variierenden Amplituden bestehen, wobei die Impulse für alle Ultraschallwandler die gleiche Form aufweisen. Zur Ansteuerung der Ultraschallwandler können aber auch andere Signalformen genutzt werden, eine Limitierung liegt nicht vor.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere zu einer Gruppe zugehörigen Ultraschallwandler zeitlich verzögert um eine Verzögerungszeit t nacheinander angesteuert werden.
• Die in einer Gruppe angeordneten Ultraschallwandler werden nacheinander um eine Verzögerungszeit t verzögert angesteuert. Die hierfür notwendigen Ansteuersignale werden von einer, über Leitungen mit den Wandlern verbunden Steuereinheit erzeugt.
• In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verzögerungszeit t einer Laufzeit der Plattenwellen zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandlern entspricht.
• Vorteilhafterweise entspricht die Verzögerungszeit t einer Laufzeit der Plattenwellen zwischen zwei benachbarten im Abstand s_w,i angeordneten Ultraschallwandlern. Derart werden Signalverzerrungen im zu erzeugenden Sendesignal vermieden.
• Die erfindungsgemäße Anordnung stellt somit einen Ultraschalldurchflusssensor mit in die Kanalwand integrierten Ultraschallwandler-Arrays dar. Zum Schutz der Ultraschallwandler sind diese in die Kanalwand integriert. Die Ultraschallabstrahlung und der Ultraschallempfang erfolgen indirekt über angeregte Plattenwellen. Für eine effizientere Schallübertragung erfolgt die Plattenwellenanregung/-erfassung mit Arrays aus mindestens zwei Ultraschallwandlern. Bei Ultraschalldurchflusssensoren mit Wandler-Arrays nach dem aktuellen Stand der Technik werden die Arrays zur Ortsmessung von Schallstrahlverwehungen genutzt (Patent WO 2005/090929 ) und nicht wie bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur effizienteren Schallübertragung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Korrektur von Schalllaufzeitänderungen aufgrund von Materialparameteränderungen, die entweder aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialalterung oder Temperatureinfluss auftreten. Es beschreibt die für Korrektur benötigten Messungen und die zugehörige Signalverarbeitung.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
• 1 einen Längsschnitt eines Strömungskanals mit erfindungsgemäß in die Kanalwand integrierten Ultraschallwandlern,
• 2 einen Ausschnitt aus einer Kanalwand eines Strömungskanals mit drei diskreten Ultraschallwandlern,
• 3 einen Ausschnitt aus einer Kanalwand eines Strömungskanals mit drei auf einem piezoelektrischen Werkstoff aufgebrachten Elektrodenmatten zur Bildung der Ultraschallwandler,
• 4 eine weitere Darstellung eines Längsschnitts eines Strömungskanals mit erfindungsgemäß integrierten Ultraschallwandlern und eine Darstellung von Spannungs-Zeit-Verläufen zu verschiedenen Ultraschallwandlern und
• 5 einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal mit einem rechteckigen Querschnitt und in einem Array angeordneten Ultraschallwandlern zur Ausbildung mehrerer paralleler Schallmessstrecken.
• In der 1 ist ein Strömungskanal 1 mit erfindungsgemäß angeordneten Ultraschallwandlern 8 dargestellt. Diese werden in mindestens zwei Gruppen 3 und 4 von Ultraschallwandlern 8, auch als Array bezeichnet, bei der Herstellung des Strömungskanals 1 in die Kanalwandabschnitte 2 und 2a integriert. Die Integration der Gruppen 3 und 4 erfolgt beispielsweise durch Einlegen in den Lagenaufbau von Laminatverbundwerkstoffen des Strömungskanals 1 in die Kanalwandabschnitte 2 und 2a bei der Herstellung, wie es aus den Patenten WO 01/39253 oder EP 1 168 463 bekannt ist.
• Jeder dieser Gruppen 3 und 4 umfasst dabei mindestens zwei Ultraschallwandler 8. Vorzugsweise werden die Gruppen 3 und 4 in sich gegenüberliegenden Kanalwandabschnitten 2 und 2a angeordnet. Die Anordnung in den Kanalwandabschnitten 2 und 2a erfolgt derart, dass die Gruppen 3 und 4 in einer Strömungsrichtung 5, des fluiden Mediums im Strömungskanal 1, um einem Abstand S_A 6 zueinander versetzt sind, wie in der 1 dargestellt ist.
• In der 1 sind beispielhaft vier Ultraschallwandler 8 in jeder Gruppe 3 und 4 dargestellt. Hierbei werden die Ultraschallwandler 8 derart innerhalb einer Gruppe 3 und 4 platziert, dass jeweils zwei benachbarte Ultraschallwandler 8 einen Abstand S_W,i 7 zueinander aufweisen.
• Hierbei ist i ein laufender Index für den jeweiligen Wandler 8 im Bereich i = 1, 2, ... N – 1 und N die Anzahl der Ultraschallwandler 8 in der Gruppe 3 oder 4, wobei N ≥ 2 ist.
• Die Ultraschallwandler 8 werden mittels Anschlussleitungen 9, welche in der 1 nicht dargestellt sind, mit einer Ansteuer- und Signalverarbeitungseinheit, welche ebenfalls nicht dargestellt ist, verbunden. Diese Einheit erzeugt elektrische Ansteuersignale für die Ultraschallwandler 8, welche in diesen in mechanische Verformungen umgewandelt werden. Derart werden Plattenwellen im Kanalwandabschnitt 2 erzeugt, welche sich nach ihren kurzen Weg durch einen Kanalwandanteil des Kanalwandabschnitts 2 durch das im Strömungskanal 1 befindliche fluide Medium ausbreiten. In der 1 ist die Strömungsrichtung 5 des fluiden Mediums mit einem Pfeil dargestellt. Bedingt durch das Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten in der Kanalwand und im fluiden Medium breiten sich die Ultraschallwellen nicht rechtwinklig zum Kanalwandabschnitt 2, sondern mit einem Abstrahlwinkel α 12 im Inneren des Strömungskanals 1 aus, wie mit einem Pfeil am Winkel α 12 dargestellt.
• In der 2 sind drei Ultraschallwandler 8 innerhalb der ersten Gruppe 3 im Kanalwandabschnitt 2 mit jeweils zugehörigen Anschlussleitungen 9 dargestellt. Diese Wandler sind 8 sind als diskrete, integrierbare piezoelektrische Wandler ausgeführt, beispielsweise als MFC wie in http://www.smart-material.com/ActuatorSensor.html offenbart ist. Dargestellt ist auch der Abstand S_W,i 7 zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandlern 8. Über die Anschlussleitungen 9 sind die Ultraschallwandler 8 jeweils mit einer Einheit zur erzeugt elektrischer Ansteuersignale verbunden, welche nicht dargestellt ist.
• Als Ansteuersignale für die Wandler 8 werden beispielsweise elektrische Impulse, die aus einer zeitbegrenzten Sinusschwingung bestehen genutzt, welche in den Wandlern 8 in mechanische Verformungen umgesetzt werden.
• In der 3 ist eine andere Realisierungsvariante zur Ausbildung von Ultraschallwandlern 8 gezeigt. In einem Kanalwandabschnitt 2 ist ein Lage eines piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Materials 10 eingebracht. Derartige Materialien sind beispielsweise aus der EP 1 357 375 bekannt.
• Für diesen Fall erfolgt eine Diskretisierung des piezoelektrischen Materials 10, also eine Bildung der Wandler 8, durch ein Aufbringen von einer oder mehreren Elektrodenmatten 11 zur Kontaktierung in einem Verfahrensschritt bei der Herstellung des Strömungskanalabschnitts 1. In der 3 sind drei Elektrodengruppen ausgebildet, welche im dargestellten Abstand S_W,i 7 zueinander angeordnet werden.
• Die integrierten Ultraschallwandler 8 sind wiederum mittels Anschlussleitungen 9 mit einer Ansteuerungselektronik verbunden und regen durch Umwandlung elektrischer Signale in mechanische Verformungen und Spannungen Plattenwellen in der Kanalwand an.
• Sowohl in der Ausgestaltung der Ultraschallwandler 8 nach 2 wie auch nach 3 werden diese in einer Gruppe 3 mittels zwischen den einzelnen Wandlern 8 zeitverzögert ausgegeben Impulsen angesteuert, wobei die Zeitverzögerung
  Δt_i
  der Laufzeit der Plattenwellen zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandlern 8 entspricht.

  
• Hierbei ist C_p die Phasengeschwindigkeit der Plattenwellen.
• Aufgrund von Auslenkungen senkrecht zur Oberfläche des Kanalwandabschnitts 2 des Strömungskanals 1 werden durch die Plattenwellen Ultraschallwellen in das fluide Medium abgestrahlt, wie in der 1 und 4 dargestellt ist.
• Die von einem Kanalwandabschnitt 2 abgestrahlten Ultraschallwellen treffen nach der Ausbreitung durch das strömende Fluid auf den gegenüberliegenden Kanalwandabschnitt 2a auf und erzeugen dort wiederum Plattenwellen. Diese werden von den im Kanalwandabschnitt 2a integrierten Ultraschallwandlern der zweiten Gruppe 4 in elektrische Signale umgewandelt und über Anschlussleitungen 9 an die Ansteuer- und Signalverarbeitungseinheit übertragen.
• In dieser Signalverarbeitungseinheit werden die elektrischen Signale der Ultraschallwandler 8 zeitverzögert aufsummiert, sodass sich der Signal-Rausch-Abstand des Empfangssignals der Gruppe 4 erhöht. Da sowohl die Ultraschallwandler 8 als auch die Kopplung zwischen den Plattenwellen und den Ultraschallwellen im fluiden Medium reziprok sind, kann die Richtung der Ultraschallübertragung, welche in der 1 nur in einer Richtung dargestellt ist, umgekehrt werden. Die Durchschallung des Strömungskanals stromauf- und stromabwärts ermöglicht die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Strömungskanal 1.
• In der 4 ist ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer aus drei Sinusschwingungen bestehenden Ansteuerspannung eines Ultraschallwandlers 8 der ersten Gruppe 3 über dem Strömungskanal 1 dargestellt.
• Unterhalb des Strömungskanals 1 ist in der 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Empfangssignale der Ultraschallwandler 8 der zweiten Gruppe 4 dargestellt. Im Diagramm unterhalb des Strömungskanals 1, sind gemeinsam das Empfangssignal des zweiten und des dritten Wandlers 8 dargestellt, welche voneinander um eine Zeit t_W,i beabstandet sind.
• Für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine wie in den 1 bis 4 dargestellte und oben beschriebene Anordnung zur Ultraschalldurchflussmessung nach dem Laufzeitverfahren vorausgesetzt.
• Die Schallabstrahlung von einem in der 4 dargestellten Kanalwandabschnitt 2 mit Wandlern 8 der Gruppe 3 erfolgt bei dieser Anordnung unter dem Abstrahlwinkel α zum Kanalwandabschnitt 2, welcher durch das Verhältnis von der Phasengeschwindigkeit C_p der in der Kanalwand 2 erzeugten Plattenwellenmode und der Schallgeschwindigkeit im strömenden Fluid C_F bestimmt wird.

  
• Aus dem Abstrahlwinkel α und dem Kanalwandabstand d zwischen den gegenüberliegenden Kanalwandabschnitten 2 und 2a ergibt sich die Schallstrecke 14 im fluiden Medium, wie in der 4 dargestellt.
• Die Strömungsgeschwindigkeit ν wird bei einer derartigen Messung nach dem Laufzeitverfahren durch die Beziehung

  

  berechnet, worin t_F,2 und t_F,1 die Schalllaufzeiten bezeichnen, die von den abgestrahlten Ultraschallwellenpaketen benötigt werden, um die Schallstrecke L 14 stromauf- bzw. stromabwärts zurückzulegen.
• Der Ausdruck L/cosα erfasst die geometrischen Parameter des Durchflusssensors und wird bei Sensoren nach dem aktuellen Stand der Technik bei der Erstkalibrierung nach der Fertigung bestimmt.
• Bei der beschriebenen Anordnung teilt sich die gemessene Signallaufzeit t_S zwischen Sende- und Empfangswandler 8 in die Schalllaufzeit im fluiden Medium t_F und die Schalllaufzeiten, in denen die Strecken L_K 15 und L_A 16 in der Kanalwand 2a zurückgelegt werden. Die für die Durchflussmessung nach dem Laufzeitverfahren wichtige Schalllaufzeit im Fluid lässt sich aus der Signallaufzeit, den Strecken L_K 15 und L_K 16 und der Phasen- und Gruppengeschwindigkeit C_g der in der Kanalwand 2 erzeugten Plattenwellenmode bestimmen gemäß:

  
• Die Messung der Phasengeschwindigkeit C_P und der Gruppengeschwindigkeiten C_g erfolgt durch Schallübertragung zwischen den gegenüberliegenden Kanalwandabschnitten 2 und 2a und der Messung der Phasenlaufzeit t_p,i und der Gruppenlaufzeit t_g,i zwischen den einzelnen Wandlern 8 der zweiten Gruppe 4.

  
• Da alle Ultraschallwandler 8 in den Gruppen 3 und 4 einzeln ansteuerbar sind, lassen sich insgesamt
  2( N / 2)
• Messungen durchführen, aus denen sich dann die mittlere Phasengeschwindigkeit C_P und Gruppengeschwindigkeit C_g ergeben.
• Dadurch erhöht sich die Genauigkeit bei der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Es ist ebenso möglich, die Phasen- und Gruppengeschwindigkeit für jeden Kanalwandabschnitt 2 und/oder 2a mit integrierten Wandlern 8 einzeln zu bestimmen. Dadurch kann der Einfluss von Temperaturdifferenzen zwischen den jeweiligen Kanalwänden 2 korrigiert werden.
• In diesem Fall ergeben sich
  ( N / 2)
• Einzelmessungen, aus denen der Mittelwert für die Phasen- bzw. Gruppengeschwindigkeit gebildet wird.
• Die für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Laufzeitverfahren wichtigen Größ L/cosα und L_K werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den bekannten Größen

  

  und der mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemessenen Größen Phasengeschwindigkeit C_P, Gruppengeschwindigkeit C_g und Signallaufzeit t_s berechnet:

  

  
• Bei der hier vorliegenden Erfindung wird die Kanalwand 2 selbst durch die Integration der Wandler 8 zur aktiven Komponente des Ultraschalldurchflusssensors. Im Gegensatz dazu wird bei der Mehrzahl der bekannten Ultraschalldurchflusssensoren die Kanalwand 2 entweder nur passiv durchschallt (clamp on) oder ist überhaupt nicht an der Ultraschallübertragung beteiligt (inline). Aufschnallwandler, die ebenfalls über Plattenwellen Ultraschall abstrahlen, sind zwar beispielsweise aus der WO 00/43736 bekannt. Bei diesen Sensoren erfolgt die Anregung der Plattenwellen allerdings durch auf die Kanalwand aufgeschnallte Keilwandler (wedge transducer) und nicht wie bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch in die Kanalwand 2 integrierte, einzeln ansteuerbare Wandler 8. Dadurch können die bekannten Lösungen keine dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden Laufzeitkorrekturen während des Betriebs ermitteln. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen mit indirekter Schallabstrahlung besteht in dem hohen erforderlichen Aufwand, die Empfangssignale sauber in unerwünschtes Übersprechen durch Plattenwellenweiterleitung vom Sender und in gewünschte Plattenwellen infolge der Fluid-Kanalwand-Kopplung zu trennen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein solches Übersprechen vermieden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Möglichkeit der Einzelansteuerung der Ultraschallwandler 8 in den Gruppen 3 und 4 gezielt aus, um damit selbstkorrigierende, langzeitstabile Ultraschalldurchflusssensoren zu realisieren, die sich selbstständig an wechselnde Betriebsbedingungen anpassen können.
• Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können gezielt bestimmte Plattenmoden mit einer sehr guten Schallabstrahlung bzw. Schallempfangsempfindlichkeit angeregt werden, sodass die elektrischen Empfangssignale, die für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ausgewertet werden, einen hohen Signal-Rausch-Abstand aufweisen. Der Signal-Rausch-Abstand des elektrischen Empfangssignals wird zudem durch die Summation der Einzelsignale der Ultraschallwandler im Empfangsarray weiter erhöht.
• Aufgrund der vollständigen Integration der Ultraschallwandler 8 in die Kanalwandabschnitte 2 und 2a ist der erfindungsgemäße Durchflusssensor insbesondere im Vergleich zu bekannten Lösungen sehr kompakt. Lediglich die Ansteuerelektronik für die Ultraschallwandler 8 und die Signalverarbeitungselektronik müssen, wie bei bekannten Lösungen auch, außerhalb des Strömungskanals 1 angebracht werden.
• Die Integration der Wandler 8 bietet als weiteren Vorteil den Schutz der Wandler 8 vor äußeren Einflüssen und ermöglicht somit insbesondere in bei Verwendung von chemisch inerten Verbundwerkstoffen die Durchflussmessung chemisch aggressiver oder abrasiver Fluide, die bei direktem Kontakt zum Verschleiß der Wandler 8 führen.
• Durch die Integration mehrerer parallel zueinander angeordneter Ultraschallwandler-Gruppen 3, wie in der 5 dargestellt, lässt sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im rechteckigen Kanal 1 gemittelt über den gesamten Kanalquerschnitt, d.h. für beliebige Strömungsprofile, messen. Insbesondere beim Einsatz von piezoelektrischen Verbundmaterialien lässt sich die in der 5 dargestellte Anordnung einfach und preiswert realisieren, da lediglich die Elektrodenmatte 11 entsprechend angepasst werden muss. Es werden in diesem Fall gegenüber der Anordnung mit nur einer Schallstrecke keine zusätzlichen Wandler für die Erfassung des Strömungsprofils benötigt.
• Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Durchflusssensors bedarf es zusätzlich zu den Prozessschritten der Herstellung des Strömungskanals selbst lediglich eines zusätzlichen Prozessschritts, in welchem die Ultraschallwandler-Arrays in den Lagenaufbau eingelegt werden. Gegenüber bekannten Ultraschalldurchflusssensoren können die Herstellungskosten dadurch deutlich verringert werden. Zudem lassen sich die Herstellungskosten für den erfindungsgemäßen Durchflusssensor durch die Möglichkeit der Verwendung kostengünstiger piezoelektrischer Matten (im Vergleich zu diskreten Ultraschallwandlern) deutlich senken.
• Die Herstellungskosten für einen Durchflusssensor aus integrierten Ultraschallwandler-Arrays lassen sich weiterhin durch die Möglichkeit der nachträglichen Korrektur von Fertigungstoleranzen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich senken. Zudem wird die Messunsicherheit, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit eines solchen Sensors dadurch erhöht, dass Materialparameteränderungen aufgrund von Alterung und Einfluss der Temperatur während des Betriebs des Sensors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigiert werden. Ein Ausbau des Sensors aus dem Strömungskanal 1 ist für die Messung der relevanten Materialparameteränderungen nicht nötig.
• Es werden keine zusätzlichen Sensoren, keine zusätzliche Elektronik und kein zusätzlicher Kanalaufbau benötigt, die einzelnen Messungen und Auswertungen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit den vorhandenen Komponenten des Ultraschalldurchflusssensors durchgeführt.
• Aufgrund der Möglichkeit zur Korrektur des Temperatureinflusses wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Einsatz von Ultraschalldurchflusssensoren unter wechselnden klimatischen Bedingungen ermöglicht, ohne dass sich dabei die Messunsicherheit verringert.
• Bezugszeichenliste

1

Strömungskanal

2

Kanalwandabschnitt

3

erstes Gruppe Ultraschallwandler (Sendearray)

4

zweites Gruppe Ultraschallwandler (Empfangsarray)

5

Strömungsrichtung

6

Abstand der Gruppen zueinander S_A

7

Abstand der Ultraschallwandler zueinander S_w,i

8

Ultraschallwandler

9

Anschlussleitungen der Ultraschallwandler

10

in den Verbundwerkstoff des Strömungskanals eingearbeitete piezoelektrische Fasern oder Matten

11

Elektrodenmatte für die Kontaktierung der piezoelektrischen Fasern oder Matten

12

Abstrahlwinkel α

13

Kanalwandabstand d

14

Schallstrecke im Fluid L

15

Schallstrecke in der Kanalwand L_k

16

Schallstrecke in der Kanalwand L_A

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1636554 [0012]
• WO 2005/090929 [0040]
• WO 01/39253 [0048]
• EP 1168463 [0048]
• EP 1357375 [0055]
• WO 00/43736 [0078]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• http://www.smart-material.com/ActuatorSensor.html [0053]

Claims (10)

1. Anordnung zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien, bestehend aus einem Strömungskanal-Abschnitt mit einem rechteckigen Querschnitt und Ultraschallwandlern zur Erzeugung eines Ultraschallsignals zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe (3) bestehend aus einer Anzahl N von Ultraschallwandlern (8) in einem ersten Kanalwandabschnitt (2) integriert angeordnet ist, dass eine zweite Gruppe (4) bestehend aus der Anzahl N von Ultraschallwandlern (8) in einem dem ersten Kanalwandabschnitt (2) gegenüberliegenden zweiten Kanalwandabschnitt (2a) integriert angeordnet ist und dass die Gruppen (3 und 4) zueinander um einen Abstand S_A (6) in einer Strömungsrichtung (5) des Strömungskanals (1) verschoben angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N gleich oder größer als zwei ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Ultraschallwandler (8) innerhalb einer Gruppe (3 oder 4) in einem Abstand s_w,i (7) voneinander beabstandet, in der Strömungsrichtung (5) des Strömungskanals (1), angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (8) diskrete Wandler sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (8) aus einer piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Schicht (10) und aus einer oder mehreren über dieser Schicht angeordneten Elektrodenmatten (11) gebildet werden.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (8) zur Ansteuerung und Signalverarbeitung über Anschlussleitungen (9) mit einer Steuer- und Messanordnung verbunden sind.
7. Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit fluider Medien, bei welchem ein elektrisches Signal in einem Ultraschallwandler in eine mechanische Verformung gewandelt und dabei Ultraschalwellen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mechanische Verformung Plattenwellen in einem ersten Kanalwandabschnitt (2) eines Strömungskanals (1) erzeugt werden, dass diese Plattenwellen Ultraschallwellen in das fluide Medium im Strömungskanal (1) abstrahlen, welche sich durch das fluide Medium im Strömungskanal (1) ausbreiten, dass diese Ultraschallwellen zu einem Ultraschallsignale empfangenden Ultraschallwandler (8) gelangen und von diesem, in einem Kanalwandabschnitt (2a) eines Strömungskanals (1) integrierten Ultraschallwandler (8), in eine elektrische Spannung gewandelt werden und dass diese Spannung ausgegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal eine zeitbegrenzte Sinusschwingung ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zu einer Gruppe (3) zugehörigen Ultraschallwandler (8) zeitlich verzögert um eine Verzögerungszeit t nacheinander angesteuert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit t einer Laufzeit der Plattenwellen zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandlern (8) entspricht.

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