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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften eines Mediums.
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Die Messung bestimmter Eigenschaften eines Mediums kann durch Verwendung von akustischen Wellen erfolgen. Das Medium ist für dieses Messverfahren, das beispielsweise in der
WO 2008/034878 A2 oder der
WO 2010/136350 A1 beschrieben ist, in direktem Kontakt mit einem akustischen Wellenleiter. In dem Wellenleiter werden akustische Oberflächenwellen angeregt, wobei die Art und Frequenz der Oberflächenwellen so gewählt sind, dass eine teilweise Auskopplung in das Medium erfolgt. Ein Teil der akustischen Oberflächenwellen im Wellenleiter wird daher als longitudinale Volumenschallwellen in das Medium eingekoppelt. Diese Schallwellen durchlaufen das Medium und werden so an einer das Medium begrenzenden Fläche reflektiert, dass sie wieder auf den Wellenleiter treffen. Dort wird ein Teil der Volumenschallwellen wieder als akustische Oberflächenwellen in den Wellenleiter eingekoppelt und läuft in diesem weiter. Auf diese Weise erhält man an einem akustischen Empfänger, der vom Sender beabstandet am Wellenleiter angeordnet ist, ein charakteristisches Signal, dessen zeitlicher Intensitätsverlauf inklusive der zeitlichen Verzögerung gegenüber dem vom Sender ausgesandten Signal Rückschlüsse auf charakteristische Eigenschaften des Mediums wie beispielsweise Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Homogenität, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Konzentration oder Viskosität zulässt.
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Dieses Messverfahren ist insbesondere für flüssige, aber auch für hochviskose, teigartige, gelartige oder pastöse Medien homogener oder inhomogener Art, einschließlich biologischer Proben, geeignet. Auch die Verwendung für gasförmige Medien wäre denkbar. Wenn das Medium durch die Vorrichtung hindurch strömt, lassen sich auch eine zeitliche Veränderungen des Mediums detektieren.
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Die räumliche Ausbreitung der Volumenschallwellen im Medium wird z.B. dadurch erreicht, dass die Volumenschallwellen unter einem Winkel δ bezogen auf eine Flächennormale des Wellenleiters in das Medium ausgekoppelt werden: Der Zusammenhang lässt sich durch folgende Formel beschreiben:
wobei c
M die Schallgeschwindigkeit der Volumenschallwellen innerhalb des Mediums und c
S die Schallgeschwindigkeit der sich entlang des Wellenleiters ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen ist.
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In dem am häufigsten vorliegenden Fall, in dem die Schallgeschwindigkeit im Medium geringer ist als die der Oberflächenwellen im Wellenleiter, werden Schallwellen unter einem von 0 verschiedenen Winkel ausgekoppelt, und die Volumenschallwellen legen, eventuell unter Mehrfachreflektion innerhalb des Mediums, eine räumliche Distanz entlang des Wellenleiters zurück.
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Sender und Empfänger sind bei den bekannten Vorrichtungen an einer der Grenzfläche mit dem Medium gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters befestigt. Um auf dieser Seite des Wellenleiters angeregte Oberflächenschallwellen in das Medium einkoppeln zu können, werden daher bevorzugt Lamb-Wellen angeregt, also Wellen, deren Wellenlänge wesentlich länger ist als die Dicke des Wellenleiters zwischen Sender und Medium. In diesem Fall bewegen sich sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Wellenleiters, wobei die Schwingung auch eine longitudinale Komponente hat. Daher ist diese Art der Anregung zur Auskopplung von Volumenschallwellen geeignet. Es ist auch möglich, die Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwellen in der Größenordnung der Dicke des Wellenleiters zu wählen, wobei dann Oberflächenwellen in einem Übergangsbereich zwischen Lamb-Wellen und Rayleigh-Wellen angeregt werden.
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Die im Stand der Technik bisher beschriebenen Vorrichtungen, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten, sind komplex aufgebaut und aufwendig in der Fertigung.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfach aufgebaute und einfach zu fertigende Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften eines Mediums mittels der Anregung von Oberflächenschallwellen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften eines Mediums, mit einem vorzugsweise zylindrischen Hohlkörper, der das Medium aufnimmt, erreicht, wobei wenigstens ein Abschnitt einer Wand des Hohlkörpers als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Medium bildet. Es ist wenigstens ein Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens ein Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter vorgesehen, die voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Sender und der Empfänger in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters sind. Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist so gewählt, dass sich durch den Sender angeregte akustische Wellen wenigstens abschnittsweise auf durch das Medium verlaufenden Pfaden ausbreiten können. Es ist wenigstens ein Kontaktträger vorgesehen, an dem der Sender und/oder der Empfänger angeordnet ist, wobei zwischen dem Wellenleiter und dem Kontaktträger ein durchgehender Luftspalt ausgebildet ist. Die Vorrichtung hat ein Gehäuse, das den Hohlkörper umfangsmäßig umgibt. Der Raum zwischen dem Hohlkörper, dem Kontaktträger und dem Gehäuse ist mit einer Füllmasse verfüllt.
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Der Luftspalt ist vorzugsweise nach außen hin vollständig abgeschlossen und abgedichtet.
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Der Kontaktträger ist, vorzugsweise mit bereits vormontiertem Sender und Empfänger, einfach außen auf dem insbesondere rohrförmigen Wellenleiter befestigbar. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger lässt sich durch den Kontaktträger präzise vorgeben. Das Gehäuse muss nur um den Hohlkörper platziert und mit der Füllmasse ausgefüllt werden. Insgesamt kann die Vorrichtung aus wenigen Einzelteilen gestaltet sein und ohne großen Aufwand gefertigt werden, wobei dennoch eine hohe Präzision insbesondere in der Positionierung von Sender und Empfänger erreichbar ist.
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Anstelle eines einzigen Kontaktträgers können auch mehrere Kontaktträger vorgesehen sein, die zusammen den Luftspalt überdecken.
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Auch wenn vorzugsweise Sender und Empfänger im Bereich eines einzigen Luftspalts angeordnet sind, könnte alternativ auch nur ein Sender bzw. nur ein Empfänger im Bereich eines Luftspalts vorgesehen sein, während sich das Gegenstück (Sender bzw. Empfänger) an anderer Stelle des Hohlkörpers, z.B. unter einem weiteren, von einem Kontaktträger überdeckten Luftspalt befindet.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Füllmasse aus einem Material besteht, das durch den Sender angeregte akustische Wellen, insbesondere die akustischen Oberflächenwellen, absorbiert. Bevorzugt werden im Wesentlichen sämtliche akustischen Oberflächenwellen im Hohlkörper absorbiert, die nicht im Bereich direkt radial einwärts des Luftspalts, das heißt innen liegend verlaufen, und so eine Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen abseits des Bereichs direkt unterhalb des Luftspalts verhindert. Durch das Vorhandensein der Füllmasse kann dabei optional auch ein Auskoppeln von akustischen Oberflächenschallwellen aus den auf den Hohlkörper aus dem Medium auftreffenden Volumenschallwellen unterdrückt werden, sodass eine derartige Auskopplung im Wesentlichen nur in dem Bereich des Hohlkörpers geschieht, der direkt unterhalb des Luftspalts liegt. In diesem Fall wäre der Wellenleiter ausschließlich durch den Abschnitt der Wand des Hohlkörpers zwischen Sender und Empfänger direkt unterhalb des Luftspalts definiert.
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Die Dicke der Füllmasse ist vorzugsweise deutlich größer gewählt als die Dicke des Wellenleiters, sodass Oberflächenwellen außerhalb des Bereichs des Wellenleiters, der nicht direkt radial einwärts des Luftspalts liegt, gut absorbiert werden können.
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Der Luftspalt dient also vorzugsweise einerseits dazu, die Messung nicht durch ein Aufliegen des Kontaktträgers auf dem Wellenleiter zu verfälschen, andererseits aber auch dazu, den Wellenleiter im Wesentlichen innenseitig des Kontaktträgers zwischen Sender und Empfänger eindeutig zu definieren.
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Insbesondere im zweiten Fall ist es günstig, wenn der zylindrische Hohlkörper außerhalb des Luftspalts vollständig von der Füllmasse bedeckt ist, zumindest über die axiale Länge des Kontaktträgers. Die Füllmasse ist aber vorzugsweise axial über den Kontaktträger hinaus vorgesehen, sodass sie diesen auch vor Umwelteinflüssen schützt.
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Der Raum zwischen dem Hohlkörper, dem Kontaktträger und dem Gehäuse ist vorzugsweise mit Ausnahme des Luftspalts vollständig mit der Füllmasse verfüllt.
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Als Füllmasse kommt beispielsweise ein Epoxidharz oder Polyurethan infrage. Es könnte aber auch z.B. ein Öl oder Sand verwendet werden. Das Verfüllen des Raums zwischen Hohlkörper und Gehäuse kann auf beliebigem geeignetem Weg erfolgen, insbesondere durch Vergießen.
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Der Kontaktträger ist bevorzugt in Längsrichtung des Hohlraums angeordnet, sodass Sender und Empfänger in der Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Ist der Hohlkörper ein kreiszylindrisches Rohr, muss der Kontaktträger nicht der Krümmung des Rohres folgen, sondern liegt längs einer Geraden. Wenn das Medium durch den Hohlkörper hindurch bzw. am Wellenleiter vorbeiströmt, liegt die Gerade zwischen Sender und Empfänger vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung.
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Der Kontaktträger und der Luftspalt sind bevorzugt streifenförmig geformt, haben also eine größere Längserstreckung als ihre Breite. Die Längserstreckung zwischen Sender und Empfänger, die auch einer Mindestlänge des Wellenleiters entspricht, ist dabei so lang gewählt, dass die Volumenschallwellen, die sich im Medium fortpflanzen, mit der inneren Oberfläche des Wellenleiters an mehreren voneinander beabstandeten Stellen interagieren, wobei an jeder dieser Stellen eine Auskopplung von akustischen Oberflächenwellen erfolgen kann.
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Der Kontaktträger selbst ist vorteilhaft durch eine Leiterplatte gebildet, da auf diese Weise die notwendige elektrische Kontaktierung des Senders bzw. Empfängers einfach und kostengünstig erreicht werden kann.
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Um weitere Messverfahren zu ermöglichen oder auch um die Genauigkeit der Messergebnisse zu verbessern, ist es möglich, mehrere Baugruppen aus Kontaktträger, Sender und Empfänger über den Umfang des Hohlkörpers verteilt anzuordnen. Diese Baugruppen liegen vorzugsweise axial auf gleicher Höhe, wobei insbesondere die Sender und die Empfänger jeweils axial auf derselben Höhe angeordnet sind.
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Es wäre theoretisch denkbar, auf dem Kontaktträger zwischen Sender und Empfänger zumindest einen weiteren Empfänger anzuordnen, um insbesondere Laufzeitunterschiede des Signals besser detektieren zu können. Es wäre auch möglich, einen Sender in die Mitte des Kontaktträgers zu platzieren und an beiden Enden des Kontaktträgers Empfänger vorzusehen, was eine Messung einer Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erleichtern würde.
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In jedem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn Sender und Empfänger so ausgebildet sind, dass ihre Funktion getauscht werden kann, also der Sender auch als Empfänger und/oder der Empfänger auch als Sender betrieben werden kann.
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Vorzugsweise sind Sender und Empfänger so ausgelegt, dass einzelne, zeitlich versetzte Wellenpulse angeregt und diese auch beim Empfang zeitlich aufgelöst werden können. Gemessen werden vorzugsweise zumindest Intensität, Frequenz und/oder Laufzeitverzögerung der Signale.
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Sender und/oder Empfänger arbeiten bevorzugt piezoelektrisch, sie können insbesondere piezoelektrische Interdigitalwandler aufweisen. Sender und/oder Empfänger können durch jeweils einen piezoelektrischen Wandler mit interdigitalen Elektroden gebildet sein.
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Der Wellenleiter bzw. der gesamte Hohlkörper besteht hingegen vorteilhaft aus einem nicht piezoelektrischen Material. Außerdem ist der Wellenleiter vorzugsweise über seine gesamte Erstreckung homogen aus einem einzigen Material gebildet. Als Material des Wellenleiters wird bevorzugt ein Metall, insbesondere ein Edelstahl, oder ein Kunststoff, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyoxymethylen (POM), verwendet.
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Der Hohlkörper ist vorzugsweise ein einwandiges Rohr, das insbesondere kreiszylindrisch im Querschnitt ist und in dem das Medium aufgenommen ist.
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Bevorzugt ist das Rohr ein Abschnitt einer Leitung, sodass die in der Leitung strömenden Medien während ihres Durchströmens gemessen werden.
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Der Wellenleiter ist vorteilhaft einstückiger Teil des Hohlkörpers und durch einen Wandabschnitt des Hohlkörpers gebildet, er kann sich aber vom Rest des Hohlkörpers z.B. durch die Geometrie seiner äußeren und/oder inneren Oberfläche unterscheiden. So ist es möglich, die Form der Oberfläche und auch die Dicke des Hohlkörpers und optional auch des Wellenleiters abschnittsweise zu verändern, um gezielt Unterschiede in der Ausbreitung der Oberflächenwellen hervorzurufen.
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Die Dicke des Wellenleiters ist hier definiert als Abstand zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche des Hohlkörpers insbesondere im Bereich des Luftspalts, gemessen senkrecht zu einer Flächennormale des Hohlkörpers in diesem Bereich. Die Dicke (und damit die Wandstärke des Hohlkörpers) sollte so gewählt sein, dass sich die angeregten Oberflächenwellen entlang beider Oberflächen des Wellenleiters fortpflanzen.
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Die Wandstärke des Hohlkörpers ist vorteilhaft über den gesamten Bereich, in dem dieser als Wellenleiter wirkt, gleich. Dies ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Sender und/oder Empfänger auf der äußeren Oberfläche des Wellenleiters angebracht sind, da sich dann sämtliche akustischen Oberflächenwellen unter gleichen Bedingungen auf dem Wellenleiter ausbreiten können.
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Innenseitig des Kontaktträgers kann die Oberfläche des Hohlkörpers, die den Wellenleiter bildet, flach ausgebildet sein, sodass die Begrenzung des Luftspalts durch eine Abflachung gebildet ist. Diese Gestaltung erleichtert es, den Luftspalt abzudichten. Außerdem kann durch das Abtragen der Oberfläche des Hohlkörpers, insbesondere bei einem kreiszylindrischen Rohr, das Ausbreitungsverhalten, Anregungsverhalten, Frequenz und Wellenlänge der angeregten Oberflächenwellen beeinflusst werden.
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Der Luftspalt ist vorteilhaft komplett zwischen dem Wellenleiter, dem Kontaktträger und dem Sender und Empfänger ausgebildet, es werden keine weiteren Bauteile benötigt.
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Um die Befestigung des Kontaktträgers am Hohlkörper und die Abdichtung des Luftspalts zu erleichtern, kann der Kontaktträger eine längs verlaufende Vertiefung aufweisen, wobei der Luftspalt bevorzugt auf den Bereich der Vertiefung beschränkt ist. Die Vertiefung ist z.B. durch eine Längsnut im Kontaktträger gebildet, die dem Hohlkörper zugewandt ist und die den Luftspalt zusammen mit dem Hohlkörper begrenzt. Eine solche Längsnut lässt sich beispielsweise durch Ausfräsen insbesondere einer Leiterplatte einfach und kostengünstig fertigen.
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Die die Längsnut begrenzenden Ränder des Kontaktträgers können am Hohlkörper angeklebt sein.
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Sender und Empfänger sind vorteilhaft jeweils an einem Ende des Kontaktträgers befestigt, sie schließen in einer bevorzugten Ausführungsform die längsseitigen Enden der Längsnut und somit des Luftspalts ab.
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Werden mehrere Kontaktträger verwendet, die jeweils nur mit einem Sender bzw. Empfänger verbunden sind, muss sich die Längsnut nicht über die gesamte Länge des Kontaktträgers erstrecken.
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Sender und Empfänger sind mit dem Kontaktträger z.B. mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff verklebt, was die Kontaktierung erleichtert.
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Die Baugruppe aus Kontaktträger, Sender und Empfänger lässt sich einfach vorfertigen und als Ganzes am Wellenleiter befestigen.
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Bei der Befestigung werden vorzugsweise Sender und Empfänger am Wellenleiter, also am Hohlkörper, verklebt, insbesondere mit einem akustisch leitfähigen Kleber, da hier eine gute akustische Kopplung zwischen dem Sender bzw. Empfänger und dem Hohlkörper wichtig ist.
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Alternativ können auch zuerst Sender bzw. Empfänger am Hohlkörper verklebt und anschließend der Kontaktträger montiert werden, vorzugsweise ebenfalls durch Kleben.
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Der Kontaktträger wird vorteilhaft am Hohlkörper, also am Wellenleiter, verklebt, insbesondere ebenfalls mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, sodass die gesamte Baugruppe aus Kontaktträger, Sender und Empfänger über den Hohlkörper geerdet werden kann. Vorzugsweise wird der Klebstoff entlang der gesamten seitlichen Längsränder der Längsnut aufgebracht. Diese Verklebung kann auch dazu dienen, den Luftspalt seitlich abzudichten.
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Ein am Kontaktträger befestigter Stecker vereinfacht die elektrische Kontaktierung des Senders und des Empfängers zur Energieversorgung und Datenübertragung. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung des Steckers am Kontaktträger durch Löten.
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Durch eine Steuer- und Auswerteeinheit können Daten zum Sender und vom Empfänger übertragen werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann in die Vorrichtung integriert oder von dieser separat angeordnet sein.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit lässt sich einfach im Gehäuse unterbringen, wobei ein am Stecker angestecktes Kabel zur Steuer- und Auswerteeinheit führen kann. Das Kabel ist durch die Füllmasse fixierbar, wobei es z.B. beim Verfüllen des Raums zwischen Hohlkörper und Gehäuse mit eingegossen wird. Auf diese Weise sind die Verbindung zwischen Kabel und Stecker sowie der Stecker selbst gegen übermäßige Krafteinwirkung gut geschützt.
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Die Auswertung der Signale des Empfängers kann vollständig in der Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung erfolgen.
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Die Daten der Steuer- und Auswerteeinheit lassen sich auf einem am Gehäuse angeordneten Display anzeigen. Es ist auch möglich, eine weitere Elektronikeinheit mit einem Kabel anzuschließen oder ein Funkmodul vorzusehen, das die Daten drahtlos an eine andere Elektronikeinheit überträgt.
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Der Hohlkörper kann Teil eines Fluidsystems sein. Insbesondere für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn der Hohlkörper endseitige Befestigungsabschnitte zur fluidmäßigen Verbindung mit einem Fluidsystem aufweist. Die endseitigen Befestigungsabschnitte können in Form von Flanschen ausgebildet sein, was es erlaubt, die Vorrichtung einfach in ein bestehendes Fluidsystem zu integrieren.
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Außer den Fluidanschlüssen müssen im Hohlkörper keine weiteren Öffnungen vorgesehen sein, sodass die Vorrichtung an keiner Stelle gegen das Medium abgedichtet werden muss. Somit können auch auf einfache Weise aggressive oder empfindliche Medien in der Vorrichtung vermessen werden.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise konzentrisch um den Hohlkörper angeordnet. Es hat keinen Kontakt mit dem Medium.
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Es ist möglich, das Gehäuse nur durch die Füllmasse am Hohlkörper zu befestigen und keine zusätzlichen Befestigungsmittel zu verwenden. Das Gehäuse könnte aber zusätzlich zur Füllmasse auch noch durch Kleben, Löten, Schweißen oder andere geeignete Befestigungsmaßnahmen mit dem Hohlkörper verbunden sein.
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Das Gehäuse hat vorzugsweise einen rohrförmigen Abschnitt, der über den Hohlkörper geschoben wird. Alternativ könnte das Gehäuse z.B. auch mehrteilig aus beispielsweise zwei Schalen bestehen, die um den Hohlkörper herum zusammengesetzt werden.
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Wenn der Hohlkörper Befestigungsmittel zur Anordnung in einem Fluidsystem, insbesondere Flansche, aufweist, werden diese vorteilhaft nach dem Anbringen des Gehäuses um den Hohlkörper bzw. nach dem Verfüllen des Zwischenraums an den Hohlkörper angebracht. Dies kann beispielsweise durch Anschweißen von Flanschstücken oder durch Umformen der Enden des Hohlkörpers geschehen.
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Das Messprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert darauf, dass der Sender im Wellenleiter akustische Oberflächenwellen anregt, die zum einen entlang des Wellenleiters verlaufen und zum anderen einen Teil ihrer Energie an der dem Sender gegenüberliegenden Oberfläche des Wellenleiters als Volumenschallwellen in das Medium auskoppeln. Diese Volumenschallwellen durchlaufen das Medium, werden an einer gegenüberliegenden Wand des Hohlkörpers reflektiert und gelangen so zurück zum Wellenleiter. Dort wird ein Teil der Energie der Volumenschallwellen wieder konvertiert und als akustische Oberflächenschallwelle zurück in den Wellenleiter eingekoppelt. Dieser Vorgang kann an mehreren Stellen des Wellenleiters erfolgen, da aufgrund der Beziehung zwischen dem Auskopplungswinkel und dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten die Ausbreitung der Volumenschallwellen mit einer entlang des Wellenleiters gerichteten Komponente erfolgt.
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Ist die Dicke des Wellenleiters deutlich kleiner als die Wellenlängen der akustischen Oberflächenwellen, ist die Amplitude der angeregten Lamb-Wellen im Wesentlichen an beiden Oberflächen des Wellenleiters identisch. Ist hingegen die Dicke des Wellenleiters in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen, unterscheidet sich die Amplitude der Oberflächenwellen in der Regel zwischen der Oberfläche, an der die Oberflächenwelle angeregt wird, und der gegenüberliegenden Oberfläche. In beiden Fällen ist es jedoch möglich, longitudinale Volumenschallwellen auszukoppeln, da an beiden Oberflächen die Oberflächenschallwellen auch jeweils eine longitudinale Komponente aufweisen.
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Der Empfänger empfängt entweder ausschließlich die entlang des Wellenleiters bei ihm eintreffenden Oberflächenschallwellen oder auch Volumenschallwellen, die durch den Bereich des direkt unterhalb des Empfängers liegenden Wellenleiter zu diesem weitergeleitet werden. Anhand des zeitlichen Verlaufs der empfangenen Signalintensität lassen sich wie bekannt Rückschlüsse auf Eigenschaften des Mediums innerhalb des Hohlkörpers ziehen.
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Wenn die Anregung der Oberflächenschallwellen durch den Sender in einzelnen Wellenpulsen erfolgt, ist es günstig, den Zeitabstand zwischen zwei Wellenpulsen so zu wählen, dass sowohl die direkten Oberflächenwellen als auch sämtliche detektierbaren Volumenschallwellen bereits beim Empfänger angekommen sind, bevor der nächste Puls ausgelöst wird. Der Laufzeitunterschied zwischen den Oberflächenwellen und den Volumenschallwellen sowie der Intensitätsverlauf eines Pulses für die verschiedenen Ausbreitungswege erlauben Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Mediums.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine Vergrößerung des mit einem Kreis markierten Abschnitts der Vorrichtung aus 1;
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3 einen schematischen Längsschnitt der Vorrichtung aus 1 auf Höhe des Kontaktträgers;
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4 einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung aus 1 im Bereich des Senders beziehungsweise Empfängers;
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5 einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung aus 1 im Bereich des Luftspalts;
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6 eine schematische Darstellung einer Baugruppe aus einem Kontaktträger, einem Sender und einem Empfänger für eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und
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7 und 8 mögliche Anordnungen einer Steuereinheit bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung 10 zum Bestimmen von Eigenschaften eines Mediums M, das sich in einem rohrförmigen Hohlkörper 12 befindet und diesen beispielsweise durchströmt.
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An einer radial äußeren Oberfläche 14 des Hohlkörpers 12 ist eine Baugruppe 16 mit einem Kontaktträger 18, einem piezoelektrischen Sender 20 und einem piezoelektrischen Empfänger 22 angeordnet.
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Sender 20 und Empfänger 22 sind hier so gestaltet, dass sie auch in der jeweils anderen Funktion betrieben werden können, also der Sender 20 als Empfänger und der Empfänger 22 als Sender.
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Die radial innere Oberfläche 24 des Hohlkörpers 12 bildet eine Grenzfläche zum Medium M.
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In diesem Fall ist der Hohlkörper 12 ein Edelstahlrohr, der, insbesondere wenn er mit einem ebenfalls aus Metallrohren bestehenden Fluidsystem verbunden ist, auf einfache Weise auch als Erdung für die elektronischen Bauteile dient.
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Ein Gehäuse 26 umgibt den Hohlkörper 12 konzentrisch. Der Raum zwischen der äußeren Oberfläche 14 des Hohlkörpers 12 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 26 ist mit einer Füllmasse 28 verfüllt, die in diesem Beispiel zu einem starren Festkörper aushärtet. Die Füllmasse 28 kann beispielsweise Polyurethan oder ein Epoxidharz sein.
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Im Bereich des Kontaktträgers 18 ist die äußere Oberfläche 14 des Hohlkörpers 12 abgeflacht, beispielsweise durch Abfräsen eines Teils des Außenumfangs. Diese Abflachung 30 erstreckt sich in Längsrichtung A über den Kontaktträger 18 hinaus, während sie in ihrer Querrichtung x im Wesentlichen der Breite des Kontaktträgers 18 entspricht (siehe 1 und 3).
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Die elektrische Kontaktierung sowie die Anregung von Schwingungssignalen im Sender 20 beziehungsweise das Auslesen des Empfängers 22 erfolgt über einen am Kontaktträger 18 angeordneten Stecker 32, an dem ein Kabel 34 (siehe z.B. 3) angebracht ist, das zu einer Steuer- und Auswerteeinheit 36 führt (siehe 7 und 8).
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kontaktträger 18 durch eine Leiterplatte gebildet, wobei sämtliche elektrischen Leitungen zur Energieversorgung, Steuerung und zum Auslesen der Messdaten als Leiterbahnen in der Leiterplatte oder auf der Leiterplatte angelegt sind.
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Der Stecker 32 kontaktiert direkt Leiterbahnen auf der Leiterplatte. Der Kontaktträger 18 besteht hier also aus einem nicht piezoelektrischen Material.
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Sender 20 und Empfänger 22 sind piezoelektrische Wandler, die beispielsweise mit Interdigital-Elektroden versehen sind, wobei die Elektroden in direktem Kontakt mit der Außenoberfläche 14 des Hohlkörpers 12 stehen.
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2 zeigt eine Detailansicht des in 1 durch den Kreis markierten Bereichs der Vorrichtung 10.
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Hier ist zu erkennen, dass der Kontaktträger 18 teilweise beabstandet von der Außenoberfläche 14 des Hohlkörpers 12 angeordnet ist. Zwischen der Unterseite des Kontaktträgers 18 und der Außenoberfläche 14 des Hohlkörpers 12 ist ein Luftspalt 38 ausgebildet. Die Füllmasse 28 lässt diesen Luftspalt 38 frei, umgibt aber ansonsten den Kontaktträger 18 sowie den Sender 20 und den Empfänger 22 vollständig. Die Füllmasse 28 umgibt den Hohlkörper 12 umfangsmäßig mit Ausnahme des Luftspalts 38 vollständig und erstreckt sich auch in Längsrichtung A über die Baugruppe 16 aus Kontaktträger 18, Sender 20 und Empfänger 22 hinaus.
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In 3 ist ein Längsschnitt durch die Vorrichtung 10 auf Höhe des Luftspalts 38 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Sender 20 und der Empfänger 22 jeweils direkt auf der äußeren Oberfläche 14 des Hohlkörpers 12 in der Abflachung 30 aufliegen. Der Kontaktträger 18 hingegen weist eine Längsnut 40 auf, die sich über die komplette Länge des Kontaktträgers 18 zwischen Sender 20 und Empfänger 22 erstreckt. Die beiden die Längsnut 40 begrenzenden Längsränder 42 des Kontaktträgers 18 erstrecken sich durchgehend vom Sender 20 bis zum Empfänger 22. Sie sind durchgehend mit einem elektrisch leitfähigen, hitzebeständigen Klebstoff über ihre gesamte Länge fest mit dem Hohlkörper 12 im Bereich der Abflachung 30 verbunden (siehe 6).
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Sender 20 und Empfänger 22 können sich in der Längsrichtung A über die Abflachung 30 hinaus erstrecken.
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Der Hohlkörper 12 weist hier an beiden axialen Enden endseitige Befestigungsabschnitte 50 zur fluidmäßigen Verbindung mit einem nicht näher dargestellten Fluidsystem auf.
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Die 4 und 5 zeigen Querschnitte durch die Vorrichtung 10, zum einen im Bereich des Senders 20 (beziehungsweise des Empfängers 22) sowie im Bereich des Luftspalts 38. Bei dem dort gezeigten Beispiel sind jeweils zwei Abflachungen 30 am Umfang des Hohlkörpers 12 ausgebildet, die sich hier nicht direkt diametral gegenüberliegen, wobei dies aber auch vorteilhaft sein kann. An jeder der Abflachungen 30 ist eine Baugruppe 16 angeordnet. Die jeweiligen Baugruppen 16 aus Kontaktträger 18, Sender 20 und Empfänger 22 sind identisch aufgebaut und auf jeweils gleicher axialer Position am Hohlkörper 12 fixiert.
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Natürlich könnte auch nur eine einzige Baugruppe 16 oder mehr als zwei Baugruppen 16 am Hohlkörper 12 vorgesehen sein.
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Die von dem Sender 20 der einen Baugruppe 16 ausgesandten Oberflächenwellen, zumindest diejenigen, die als Volumenschallwelle das Medium M durchqueren, sind auch von dem Empfänger 22 einer der anderen Baugruppen 16 erfassbar.
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Zur Durchführung einer Messung von Eigenschaften des Mediums M im Inneren des Hohlkörpers 12 regt der Sender 20 akustische Oberflächenwellen in dem Bereich des Hohlkörpers 12 direkt unterhalb der Elektroden des Senders 20 an. Diese Oberflächenwellen verlaufen entlang des Hohlkörpers 12, der in diesem Bereich einen Wellenleiter darstellt, unter anderem in Richtung zum Empfänger 22 und werden dort detektiert. Aufgrund der direkten Grenzfläche des Mediums M zum Wellenleiter wird ein Teil der Energie der akustischen Oberflächenwellen an der inneren Oberfläche 24 des Hohlkörpers 12 an der Grenzfläche zum Medium M ausgekoppelt und verläuft von dort unter einem spezifischen Ausbreitungswinkel als Volumenschallwelle durch das Medium M (siehe 1). An der gegenüberliegenden Wand des Hohlkörpers 12 trifft diese Volumenschallwelle wieder auf den Hohlkörper 12 und wird reflektiert. Auf diese Weise pflanzt sich die Volumenschallwelle durch das Medium M fort. Immer wenn die Volumenschallwelle auf die Wand des Hohlkörpers 12 trifft, besteht die Möglichkeit, dass wiederum akustische Oberflächenwellen in den Hohlkörper 12 eingekoppelt werden. Diese laufen dann durch die als Wellenleiter dienende Wand des Hohlkörpers 12 zum Empfänger 22 und werden dort ebenfalls detektiert. Aus der Laufzeitverzögerung zwischen einem vom Sender 20 ausgesandten Wellenpuls und dem beim Empfänger 22 eingehenden Signal sowie dessen Intensität und Zeitverlauf lassen sich Rückschlüsse auf Eigenschaften des Mediums M wie dessen Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Temperatur und Homogenität ziehen.
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Der gesamte Hohlkörper 12 kann als Wellenleiter wirken, hier ist jedoch im Wesentlichen jeweils nur der Bereich des Hohlkörpers 12 in der Abflachung 30 unterhalb des Luftspalts 38 zwischen Sender 20 und Empfänger 22 als Wellenleiter aktiv. Die Abgrenzung kann durch die Anwesenheit der Füllmasse 28 in Kontakt mit der restlichen Oberfläche des Hohlkörpers 12 und/oder durch die durch die Abflachung 30 gebildete geometrische Veränderung der Dicke beziehungsweise der Oberflächenstruktur des Hohlkörpers 12 beeinflusst werden.
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Kontaktträger 18, Sender 20 und Empfänger 22 werden in diesem Beispiel vor der Befestigung am Hohlkörper 12 zu der gemeinsamen Baugruppe 16 zusammengefügt. Diese Baugruppe 16 wird dann als Ganzes auf die Abflachung 30 im Hohlkörper 12 geklebt. Der Kontaktträger 18 ist insbesondere einstückig ausgebildet, könnte aber auch aus mehreren separaten Abschnitten zusammengesetzt sein.
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Die 6 zeigt die Baugruppe 16 in separatem Zustand. Es ist gut zu erkennen, dass die Längsnut 40 vollständig vom Sender 20, dem Empfänger 22 sowie den beiden Längsrändern 42 des Kontaktträgers 18 begrenzt wird.
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Zum Befestigen des Senders 20 und des Empfängers 22 am Hohlkörper 12 wird hier ein gut akustisch leitfähiger Klebstoff 39a verwendet, während die Längsränder 42 mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff 39b mit dem Hohlkörper 12 verklebt sind. Als Klebstoffe kommen bekannte elektrisch bzw. akustisch leitfähige Klebstoffe infrage.
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Von den kurzen Stirnseiten des Kontaktträgers 18 ragen jeweils zwei Kontaktstifte 46 in Verlängerung des Kontaktträgers 18 ab, die zur Befestigung des Senders 20 beziehungsweise Empfängers 22 dienen.
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Auf der den Kontaktträger 18 bildenden Leiterplatte sind bereits die Leiterbahnen ausgebildet, die zur Energieversorgung und Signalableitung über die Kontaktstifte 46 zum Sender 20 und zum Empfänger 22 erforderlich sind.
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Sender 20 und Empfänger 22 werden mit dem elektrisch leitfähigen Klebstoff auf die Kontaktstifte 46 geklebt und so positioniert, dass sie die Längsnut 40 stirnseitig abschließen.
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In einer Variante ist die Steuer- und Auswerteeinheit 36 wie in 7 dargestellt in einem Gehäuse der Vorrichtung 10 aufgenommen. Dabei kann es sich um ein zusätzliches Gehäuse 48 handeln, dies kann aber auch durch einen Abschnitt des Gehäuses 26 gebildet sein.
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In einer anderen, in 8 gezeigten Variante ist die Steuer- und Auswerteeinheit 36 außerhalb des Gehäuses 26 und eines optionalen, dieses umgebenden weiteren Gehäuses 48 angeordnet, wobei das Kabel 34 aus dem Gehäuse 26 bzw. 48 herausgeführt ist. Anstelle eines Anschlusskabels könnte hier auch eine Funkverbindung zur externen Steuer- und Auswerteeinheit 36 bestehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/034878 A2 [0002]
- WO 2010/136350 A1 [0002]
