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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallströmungs- oder -durchflussmesser zur Erfassung der Strömungsrate einer Flüssigkeit auf der Basis einer Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die auftritt, wenn sich akustische Wellen in der Flüssigkeit ausbreiten.
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Bisher sind beispielsweise Ultraschallströmungsmesser bekannt, bei denen gepaarte Messwandler (Transducer) jeweils an einer stromaufwärtsseitigen Seite und einer stromabwärtsseitigen Seite einer Leitung angeordnet sind, durch welche eine Flüssigkeit strömt. Ultraschallwellen, die von einem der Messwandler übertragen werden, werden durch eine innere Wandfläche der Leitung reflektiert und durch den anderen der Messwandler empfangen. Eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Strömungsrate der Flüssigkeit wird auf der Basis einer Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Ultraschallwellen gemessen.
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Bei einem solchen Ultraschallströmungsmesser, wie er beispielsweise in dem japanischen Patent
JP 2793133 beschrieben ist, ist ein Messkanal mit einem Zufuhrrohr, dem eine Flüssigkeit zugeführt wird, und einem Ablassrohr, von welchem die Flüssigkeit abgeführt wird, vorgesehen. Außerdem ist ein erster Messkopf an einem Ende des Messkanals angeordnet, und ein zweiter Messkopf ist an einem anderen Ende des Messkanals angeordnet. Die ersten und zweiten Messköpfe sind so aufgebaut, dass sie als Emitter akustischer Wellen oder Empfänger akustischer Wellen dienen. Beispielsweise wird von dem ersten Messkopf ein pulsförmiges akustisches Wellensignal übertragen, und der zweite Messkopf empfängt das akustische Wellensignal als ein Empfänger für akustische Wellen. Als nächstes wird der erste Messkopf umgeschaltet, um als Empfänger zu arbeiten. Indem er ein akustisches Wellensignal, das von dem zweiten Messkopf übertragen wird, empfängt, wird die Strömungsrate der Flüssigkeit auf der Basis einer Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der akustischen Wellensignale gemessen.
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Bei dem Ultraschallströmungsmesser gemäß der
JP 2793133 ist jedoch eine Gestaltung vorgesehen, bei welcher sich die Richtung der dem Zufuhrrohr zugeführten Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht ändert, woraufhin die Flüssigkeit dann durch den Messkanal fließt. Durch die plötzliche Änderung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit, tritt eine Druckänderung auf, die zu Turbulenzen führt, so dass Luft, die von der Flüssigkeit mitgeführt wird, Gasblasen in der Flüssigkeit ausbildet. Diese Gasblasen haften an der inneren Wandfläche des Messkanals an, welcher den ersten und zweiten Messköpfen gegenüberliegt. Durch das Anhaften dieser Gasblasen beeinträchtigen die Gasblasen die Ausbreitung der akustischen Wellen, was zu einer Verschlechterung der Genauigkeit, mit welcher die Strömungsrate der Flüssigkeit gemessen wird, führt.
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Außerdem sind bei dem Ultraschallströmungsmesser, wie er in dem japanischen Patent
JP 3246851 beschrieben ist, Messwandler jeweils an gegenüberliegenden Enden eines Zufuhrkanals angeordnet. Mit den beiden Enden des Zufuhrkanals sind ein Zufuhrrohr bzw. ein Ablassrohr verbunden, die jeweils um einen festgelegten Winkel relativ zu der Achse des Zufuhrkanals geneigt sind. Das Zufuhrrohr und das Ablassrohr sind entlang einer geraden Linie angeordnet und Ober gekrümmte Rohre, die jeweils gebogen sind, mit dem Zufuhrkanal verbunden.
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Bei einem solchen Aufbau wird im Vergleich zu dem Fall des Ultraschallströmungsmesser gemäß der
JP 2793133 eine Druckänderung, die auftritt, wenn die Flüssigkeit aus dem Zufuhrrohr in den Zufuhrkanal strömt, oder wenn die Flüssigkeit aus dem Zufuhrkanal in das Ablassrohr strömt, reduziert, und das Auftreten von Gasblasen wird in einem gewissen Maße verringert. Bei dieser Art von Ultraschallströmungsmesser kann aber die Erzeugung von Gasblasen nicht vollständig verhindert werden, weil die Anschlüsse des Zufuhrrohrs und des Ablassrohrs an den Zufuhrkanal nicht gerade sondern eher stufenförmig ausgebildet sind, so dass mehr als ein minimaler Druckverlust auftritt.
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Außerdem ist bei dem Ultraschallströmungsmesser, wie er aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2002-365106 A bekannt ist, ein Paar von Ultraschallsender/empfängereinheiten (Transceivern) bekannt, die einer Außenfläche eines rohrförmigen Körpers zugewandt sind. Die Ultraschalltransceiver sind in einem spitzen Winkel zu der Achse des rohrförmigen Körpers angeordnet. Bei dem Ultraschallströmungsmesser mit dem oben genannten Aufbau tritt beim Durchströmen der Flüssigkeit durch den rohrförmigen Körper keine Druckänderung auf, so dass die Erzeugung von Gasblasen oder die Ansammlung von Flüssigkeit vermieden wird, weil der rohrförmige Körper, durch welchen die Flüssigkeit fließt, entlang einer geraden Linie ausgebildet ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei dem Ultraschallströmungsmesser gemäß der
JP 2002-365106 A wurde eine Gestaltung vorgeschlagen, bei welcher die Erzeugung von Gasblasen, die mit einer Druckänderung verbunden ist, vermieden wird. Akustische Wellensignale, die von einem der Ultraschalltransceiver ausgehen, werden durch den anderen der Ultraschalltransceiver empfangen, nachdem sie sich durch die Flüssigkeit ausgebreitet haben, wobei sie durch die innere Wandfläche des rohrförmigen Körpers reflektiert und gebogen wurden. Dementsprechend ist es schwierig, die Strömungsrate der Flüssigkeit anhand der Ausbreitung der akustischen Wellensignale akkurat zu messen. Damit verbunden ist eine Absenkung der Strömungsratengenauigkeit. Außerdem sind Messungen bei niedrigen Strömungsraten schwierig.
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Bei den Ultraschallströmungsmessern gemäß der
JP 2793133 , der
JP 3246851 und der
JP 2002-365106 A wird außerdem ein großer Raum benötigt, wenn die Ultraschallströmungsmesser installiert werden, weil das Zufuhrrohr und das Auslassrohr relativ zu dem Hauptmesskanal radial nach außen vorstehen. Außerdem wird das Layout und die Handhabung der mit dem Zufuhrrohr und dem Ablassrohr verbundenen Leitungen komplex.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallströmungsmesser vorzuschlagen, der eine Verschlechterung der Strömungsratengenauigkeit einer Flüssigkeit durch Vermeidung der Erzeugung von Gasblasen vermeiden kann, wobei die Platzerfordernisse in der Installationsumgebung für den Ultraschallströmungsmesser minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteraussprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallströmungsmesser zum Messen einer Strömungsrate einer Flüssigkeit auf der Basis akustischer Wellensignale vorgesehen, mit einem Gehäuse, in dem ein Durchgang ausgebildet ist, durch welchen die Flüssigkeit fließt, einem Paar von Erfassungs- oder Detektionseinheiten, die akustische Wellensignale übertragen und empfangen können und einander gegenüberliegend im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, wobei der Durchgang dazwischen angeordnet ist, und einem Paar von Anschlusselementen, die an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeschlossen sind, und durch welche die Flüssigkeit zugeführt oder abgeführt wird.
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Bei dem Ultraschallströmungsmesser sind das Gehäuse, die Anschlusselemente und die Erfassungseinheiten auf einer geraden Linie angeordnet. Im Inneren des Gehäuses strömt die von dem einen der Anschlusselemente zugeführte Flüssigkeit durch einen Verbindungsweg, der an einer äußeren Umfangsseite der Erfassungseinheiten ausgebildet ist, und in den Durchgang und fließt dann durch den Durchgang zu dem anderen der Anschlusselemente.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind bei dem Ultraschallströmungsmesser, bei welchem das Paar von Erfassungseinheiten im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, die Erfassungseinheiten jeweils so aufgenommen, dass sie den Durchgang, der im Inneren des Gehäuses ausgebildet ist, zwischen sich halten, und die beiden Anschlusselemente sind mit beiden Enden des Gehäuses verbunden. Aufgrund der Tatsache, dass die von einem der Anschlusselemente zugeführte Flüssigkeit durch den an der äußeren Umfangsseite der Erfassungseinheit innerhalb des linear angeordneten Gehäuses ausgebildeten Verbindungsweg strömt und anschließend zu dem anderen der Anschlusselemente fließt, werden außerdem Druckvariationen auf ein Minimum eingeschränkt, und die Erzeugung von Gasblasen durch solche Variationen des Druckes können vermieden werden.
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Als Folge hiervon kann eine Verringerung der Detektionsgenauigkeit durch Anhaften der in der Flüssigkeit erzeugten Gasblasen an den Erfassungseinheiten vermieden werden, und die Strömungsrate der Flüssigkeit kann mit hoher Genauigkeit durch die Erfassungseinheiten gemessen werden.
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Durch Anordnung des Paares von Anschlusselementen und des Gehäuses auf einer geraden Linie wird außerdem die Größe des Ultraschallströmungsmessers in radialer Richtung nicht erhöht, so dass der Platz für den Installationsraum des Ultraschallströmungsmessers minimiert werden kann. Da die Rohrleitungen ebenfalls auf einer geraden Linie an den Anschlusselementen angebracht werden, wird auch die Handhabung dieser Leitungen erleichtert.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schnitt durch einen Ultraschallströmungsmesser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A ist ein vergrößerter Schnitt, der die Umgebung einer Erfassungseinheit in den Ultraschallströmungsmesser gemäß 1 zeigt, und 2B ist ein vergrößerter Schnitt, der die Umgebung einer anderen Erfassungseinheit in dem Ultraschallströmungsmesser gemäß 1 zeigt;
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3 ist ein vergrößerter Schnitt, der die Umgebung eines Anschlussbereiches zwischen einem ersten Verbindungsbereich und einem Anschlussstopfen in 2A zeigt;
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4 ist eine Vorderansicht, in welcher eine Erfassungseinheit von der Seite eines Kanals eines in 1 gezeigten Gehäuses gesehen wird;
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5 ist ein Schnitt durch einen Ultraschallströmungsmesser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist ein vergrößerter Schnitt, der die Umgebung einer Erfassungseinheit bei dem Ultraschallströmungsmesser gemäß 5 zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Ultraschallströmungsmesser 10 ein Gehäuse 14 mit einem darin ausgebildeten Durchgang 12, dem ein Fluid, beispielsweise Wasser, eine chemische Lösung oder dergleichen, zugeführt wird, ein Paar von Erfassungs- oder Detektionseinheiten 18a, 18b, die an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 14 angeordnet sind und in denen Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen aufgenommen sind, die in der Lage sind, akustische Wellensignale auszusenden und zu empfangen.
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Das Gehäuse 14 umfasst einen Kanal 20, der in einer geraden Linie beispielsweise aus einem metallischen Material, wie Edelstahl oder dergleichen, geformt ist, einen ersten Aufnahmeabschnitt, der an einem Ende des Kanals 20 ausgebildet ist, und einen zweiten Aufnahmeabschnitt 24, der an einem anderen Ende des Kanals 20 ausgebildet ist.
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Der Kanal 20 hat eine festgelegte Länge in axialer Richtung (der Richtung der Pfeile A und B), wobei der kleinste Durchmesser in seinem zentralen Abschnitt ausgebildet ist und der Kanal 20 so geformt ist, dass sich sein Durchmesser ausgehend von dem zentralen Abschnitt jeweils zu der Seite des einen Endes und der Seite des anderen Endes allmählich erweitert. Im Wesentlichen im Zentrum des Kanals 20 ist außerdem ein Installationsanschluss 26 (Installationsöffnung) ausgebildet, die radial nach außen von der äußeren Umfangsfläche im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Kanals 20 vorsteht. In dem Installationsanschluss 26 ist wahlweise eine bestimmte Art von Messsensor (Sensor) 28, beispielsweise ein Drucksensor zur Messung eines Druckes einer Flüssigkeit, die durch das Innere des Gehäuses 14 strömt, oder ein Temperatursensor zur Messung einer Temperatur der Flüssigkeit, angebracht. Der Messsensor 28 wird von dem Äußeren des Gehäuses 14 in den Installationsanschluss 26 eingesetzt, so dass ein Sensor- oder Erfassungselement so angeordnet wird, dass es in das Innere des Durchgangs 12 vorsteht (siehe die Form der gestrichelten Linie in 1).
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Das Gehäuse 14 ist nicht auf einen Fall eingeschränkt, in dem es aus einem metallischen Material hergestellt ist, sondern kann auch aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial bestehen.
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Wie in den 1 und 2A gezeigt ist, weist der erste Aufnahmeabschnitt 22 beispielsweise eine zylindrische Form mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser auf, wobei der Durchmesser relativ zu dem Kanal 20 erweitert ist. Eine der Erfassungseinheiten 18a ist im Inneren des ersten Aufnahmeabschnitts 22 aufgenommen. Außerdem ist in dem ersten Aufnahmeabschnitt 22 ein erstes Verbindungselement 30 ausgebildet, das sich in einer Richtung weg von dem Kanal 20 (in der Richtung des Pfeils A) erstreckt, wobei ein erster Gewindeabschnitt (Gewindeabschnitt) 32 an seiner äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist.
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Der erste Gewindeabschnitt 32 wird beispielsweise durch ein Trapezgewinde gebildet, das einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Ein Verbindungsstopfen (Anschlusselement) 34 ist über den ersten Gewindeabschnitt 32 an der äußeren Umfangsseite des ersten Verbindungselements 30 angeschlossen.
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Der Verbindungsstopfen 34 hat eine zylindrische Form, die an einem Ende offen ist. Ein Gewindeabschnitt 34a, der an der inneren Umfangsfläche des Verbindungsstopfens 34 ausgebildet ist, ist mit dem ersten Gewindeabschnitt 32 des ersten Verbindungselements 30 verschraubt. Als Folge hiervon wird der Verbindungsstopfen 34 so angebracht, dass er die äußere Umfangsfläche des ersten Verbindungselements 30 abdeckt. Flüssigkeit wird der Seite des Gehäuses 14 durch einen Zufuhrdurchgang (Anschluss) 36 zugeführt, der in einem im Wesentlichen zentralen Bereich der anderen Endseite (in der Richtung des Pfeils A) des Verbindungsstopfens 34 ausgebildet ist.
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Der Zufuhrdurchgang 36 kommuniziert mit dem ersten Aufnahmeabschnitt 22 des Gehäuses 14 und ist auf einer geraden Linie zusammen mit dem Kanal 20 ausgebildet. An dem anderen Ende des Verbindungsstopfens 34 ist ein nicht dargestelltes Rohr oder Schlauch über ein Kopplungselement 38, das an einer äußeren Umfangsfläche des Verbindungsstopfens 34 angebracht ist, angeschlossen. Das Rohr/der Schlauch ist mit einer nicht dargestellten Flüssigkeitszufuhrquelle verbunden.
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Außerdem ist in dem Verbindungsstopfen 34 eine Durchgangsöffnung 40 ausgebildet, die von dessen äußerer Umfangsfläche radial nach innen durchtritt. Ein Eingriffsstift 42 ist in der axialen Richtung der Durchgangsöffnung 40 in die Durchgangsöffnung 40 eingesetzt. Im Einzelnen ist der Eingriffsstift 42 in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Gehäuses 14 und des Verbindungsstopfens 34 eingesetzt.
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Das distale Ende des Eingriffsstiftes 42 ist bis zu der äußeren Umfangsfläche des ersten Verbindungselements 30 eingesetzt. Als Folge hiervon wird eine relative Drehverschiebung, d. h. ein Durchhängen oder Lösen, des Verbindungsstopfens 34, der mit dem ersten Verbindungselement 30 verbunden ist, verhindert. Nachdem der Eingriffsstift 42 in die Durchgangsöffnung 40 eingesetzt wurde, wird eine Dichtkugel 44 in die Öffnung der Durchgangsöffnung 40 eingepresst, wodurch der Eingriffsstift 42 an seinem Platz gehalten und ein Herausfallen verhindert wird.
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Anders ausgedrückt dient der Eingriffsstift 42 als ein Löseverhinderungsmechanismus, um zu verhindern, dass sich der Verbindungsstopfen 34 von dem ersten Verbindungselement 30 des Gehäuses 14 löst.
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Außerdem ist, wie in den 2A und 3 gezeigt ist, ein ringförmiger Vorsprung 46, der sich mit halbkreisförmigem Querschnitt vorwölbt, in der äußeren Umfangsfläche an dem distalen Ende des ersten Verbindungselements 30 angeordnet. Wenn der Verbindungsstopfen 34 mit dem ersten Verbindungselement 30 verbunden ist, wird außerdem das distale Ende des ersten Verbindungselements 30 in eine Pressnut (Nut) 48, die im Inneren des Verbindungsstopfens 34 ausgebildet ist, eingepresst, woraufhin der Vorsprung 46 in Gleitkontakt mit der inneren Umfangsfläche der Pressnut 48 gebracht und dann gegen die innere Umfangsfläche gequetscht wird. Dagegen wird das distale Ende des ersten Verbindungselements 30 in die Pressnut 48 eingepresst und in der Pressnut gequetscht und gehalten.
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Hierdurch können das erste Verbindungselement 30 und der Verbindungsstopfen 34 zuverlässiger und fester miteinander verbunden werden. Außerdem wird zwischen dem ersten Verbindungselement 30 und dem Verbindungsstopfen 34 eine Dichtung ausgebildet, wodurch eine Leckage von Flüssigkeit von dem Verbindungsbereich zwischen dem ersten Aufnahmeabschnitt 22 und dem Verbindungsstopfen 34 verhindert wird.
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Außerdem ist an der äußeren Umfangsfläche des ersten Aufnahmeabschnitts 22 ein Ausleitungsabschnitt 50 ausgebildet, der radial nach außen vorsteht. Ein Kabel 86 einer später beschriebenen Einheit 16a zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen wird von dem Inneren des Gehäuses 14 durch ein Loch 52, das im Zentrum des Ausleitungsabschnitts 50 ausgebildet ist, nach außen herausgeführt. Der Ausleitungsabschnitt 50 ist an einer Position in der Nähe des Kanals 20 an der äußeren Umfangsfläche des ersten Aufnahmeabschnitts 22 ausgebildet.
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Wie in den 1 und 2B gezeigt ist, ist der zweite Aufnahmeabschnitt 24 in zylindrischer Form im Wesentlichen in der gleichen Form wie der erste Aufnahmeabschnitt 22 ausgebildet und hat einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser, der relativ zu dem Kanal 20 erweitert ist. Die andere der Erfassungseinheiten 18b ist im Inneren des zweiten Aufnahmeabschnitts 24 aufgenommen. Außerdem ist in dem zweiten Aufnahmeabschnitt 24 ein zweites Verbindungselement 54 ausgebildet, das sich in einer Richtung weg von dem Kanal 20 (in der Richtung des Pfeils B) erstreckt, wobei ein zweiter Gewindeabschnitt (Gewindeabschnitt) 56 an seiner äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist. Der zweite Gewindeabschnitt 56 wird beispielsweise durch ein Trapezgewinde gebildet, das einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Ein Verbindungsstopfen (Anschlusselement) 58 ist über den zweiten Gewindeabschnitt 56 an der äußeren Umfangsseite des zweiten Verbindungselements 54 angebracht.
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Der Verbindungsstopfen 58 hat eine zylindrische Form, die an einem Ende offen ist. Ein Gewindeabschnitt 58a, der an der inneren Umfangsfläche des Verbindungsstopfens 58 ausgebildet ist, ist mit dem zweiten Gewindeabschnitt 56 des zweiten Verbindungselements 54 verschraubt. Als Folge hiervon wird der Verbindungsstopfen 58 so angebracht, dass er die äußere Umfangsfläche des zweiten Verbindungselements 54 abdeckt. Andererseits wird Flüssigkeit über den Ablassdurchgang (Anschluss) 60, der in einem im Wesentlichen zentralen Abschnitt der anderen Endseite (in der Richtung des Pfeils B) des Verbindungsstopfens 58 ausgebildet ist, nach außen abgelassen. Der Ablassdurchgang 60 kommuniziert mit dem zweiten Aufnahmeabschnitt 24 des Gehäuses 14 und ist zusammen mit dem Kanal 20 auf einer geraden Linie ausgebildet.
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Außerdem ist eine Durchgangsöffnung 62 in dem Verbindungsstopfen 58 ausgebildet, die von dessen äußerer Umfangsfläche radial nach innen durchtritt. Ein Eingriffsstift 42 ist in der axialen Richtung der Durchgangsöffnung 62 in diese eingesetzt. Im Einzelnen wird der Eingriffsstift 42 in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Gehäuses 14 und des Verbindungsstopfens 58 eingesetzt. Ein nicht dargestelltes Rohr/Schlauch ist mit dem anderen Ende des Verbindungsstopfens 58 über ein Kopplungselement 64 verbunden, das an einer äußeren Umfangsfläche des Verbindungsstopfens 58 angebracht ist.
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Das distale Ende des Eingriffsstiftes 42 ist bis zu der äußeren Umfangsfläche des zweiten Verbindungselements 54 eingesetzt. Als Folge hiervon wird eine relative Drehverschiebung, d. h. ein Durchhängen oder Lösen, des Verbindungsstopfens 58, der mit dem zweiten Verbindungselement 54 verbunden ist, verhindert. Nachdem der Eingriffsstift 42 in die Durchgangsöffnung 62 eingesetzt wurde, wird eine Dichtkugel 44 in die Öffnung der Durchgangsöffnung 62 eingepresst, wodurch der Eingriffsstift 42 an seinem Platz gehalten wird und sein Herausfallen verhindert wird.
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Anders ausgedrückt dient der Eingriffsstift 42 als ein Löseverhinderungsmechanismus, um zu verhindern, dass sich der Verbindungsstopfen 58 von dem zweiten Verbindungselement 54 des Gehäuses 14 löst.
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Wie in 2B gezeigt ist, ist außerdem ein ringförmiger Vorsprung 66, der sich mit einem halbkreisförmigen Querschnitt vorwölbt, an der äußeren Umfangsfläche an dem distalen Ende des zweiten Verbindungselements 54 angeordnet. Wenn der Verbindungsstopfen 58 mit dem zweiten Verbindungselement 54 verbunden wird, wird außerdem das distale Ende des zweiten Verbindungselements 54 in eine Pressnut (Nut) 68, die im Inneren des Verbindungsstopfens 58 ausgebildet ist, eingepresst. Hierdurch wird der Vorsprung 66 in Gleitkontakt mit der inneren Umfangsfläche der Pressnut 68 gebracht und dann gegen die innere Umfangsfläche gedrückt, während das distale Ende des zweiten Verbindungselements 54 in die Pressnut 68 eingepresst und dort gequetscht wird. Hierdurch können das zweite Verbindungselement 54 und der Verbindungsstopfen 58 zuverlässiger und fester miteinander verbunden werden. Außerdem wird zwischen dem zweiten Verbindungselement 54 und dem Verbindungsstopfen 58 eine Dichtung ausgebildet, wodurch eine Leckage von Flüssigkeit von dem Verbindungsbereich zwischen dem zweiten Aufnahmeabschnitt 24 und dem Verbindungsstopfen 58 verhindert wird.
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Außerdem ist an der äußeren Umfangsfläche des zweiten Aufnahmeabschnitts 24 ein Ausleitungsabschnitt 70 ausgebildet, der radial nach außen vorsteht. Ein Kabel 86 einer später beschriebenen Einheit 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen wird aus dem Inneren des Gehäuses 14 durch ein in dem Zentrum des Ausleitungsabschnitts 70 ausgebildetes Loch 72 nach außen herausgeführt. Der Ausleitungsabschnitt 70 ist an einer Position in der Nähe des Kanals 20 an der äußeren Umfangsfläche des zweiten Aufnahmeabschnitts 24 ausgebildet.
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Wie in den 1 bis 4 gezeigt ist, umfassen die Erfassungseinheiten 18a, 18b Halter 74, die in den ersten bzw. zweiten Aufnahmeabschnitten 22, 24 des Gehäuses 14 aufgenommen sind, und sind so angebracht, dass sie dem Durchgang 12 des Gehäuses 14 zugewandt sind. Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen von akustischen Wellen sind im Inneren der Halter 74 angeordnet.
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Die Halter 74 bestehen beispielsweise aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial und haben einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei sich Aufnahmelöcher 76 in der axialen Richtung (der Richtung der Pfeile A und B) ihrer zentralen Abschnitte erstrecken. Enden der Halter 74, die offen sind, sind an Seiten der Verbindungsstopfen 34, 58 vorgesehen, während ihre anderen Enden, die geschlossen sind und einen Boden aufweisen, an der Seite des Durchgangs 12 vorgesehen und dem Durchgang 12 zugewandt sind. Für die Halter 74 kann beispielsweise ein Fluorharzmaterial verwendet werden. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, sind an den anderen Enden der Halter 74 gekrümmte Abschnitte 78 vorgesehen, die in der Form kugeliger Oberflächen zu dem Durchgang 12 nach außen vorgewölbt sind. Die gekrümmten Abschnitte 78 weisen einen festgelegten Radius auf, der dem Durchgang 12 zugewandt ist. Ihre Zentren, durch welche die Achse des Durchgangs 12 durchtritt, sind maximal nach außen vorgewölbt. An gegenüberliegenden Seiten der gekrümmten Abschnitte 78 sind Enden der Aufnahmelöcher 76 angeordnet, in denen Einheiten 16a bzw. 16b zum Übertragen und Aufnehmen akustischer Wellen angebracht sind.
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Außerdem ist in einer Öffnung des Aufnahmeloches 76 an einem Ende jedes der Halter 74 eine Kappe 80 in einem Zustand angebracht, in welchem die Einheit 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen innen darin aufgenommen ist, so dass das Aufnahmeloch 76 durch die Kappe 80, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, abgedichtet wird. Dementsprechend ist das Innere der Aufnahmelöcher 76 hermetisch abgedichtet.
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Außerdem sind in der Nähe der anderen Enden der Halter 74 Kabellöcher 82 ausgebildet, welche die Aufnahmelöcher 76 mit der Umgebung verbinden. Die Kabellöcher 82 sind auf einer geraden Linie angeordnet und stehen mit den Löchern 52, 72 des Gehäuses 14 in Verbindung.
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Außerdem sind an äußeren Umfangsabschnitten der Halter 74 mehrere (beispielsweise drei) Verbindungsöffnungen (Verbindungswege) 84 ausgebildet, die in der axialen Richtung (der Richtung der Pfeile A und B) durchtreten. Der Durchgang 12 des Gehäuses 14, der Zufuhrdurchgang 36 des Verbindungsstopfens 34 und der Ablassdurchgang 60 des Verbindungsstopfens 58 kommunizieren miteinander durch die Verbindungsöffnungen 84. Wie in 4 gezeigt ist, haben die Verbindungsöffnungen 84 beispielsweise einen langlochförmigen Querschnitt und sind in gleichen Abständen um den Umfang der Halter 74 ausgebildet.
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Die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen werden durch piezoelektrische Elemente (Piezoelemente) gebildet, die beispielsweise plattenförmig ausgebildet sind und jeweils in den Aufnahmelöchern 76 der Halter 74, die flache ebene Formen aufweisen, angebracht sind. Die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen sind im Wesentlichen senkrecht zu dem Kanal 20 des Gehäuses 14 angeordnet. Im Einzelnen sind die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung (der Richtung der Pfeile A und B) der Flüssigkeit angeordnet, die durch den Durchgang 12 des Gehäuses 14 fließt. Kabel 86 sind jeweils paarweise mit den Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen verbunden. Die Kabel 86 werden durch Kabelöffnungen 82 der Halter 74 und die Löcher 52, 72 des Gehäuses 14 nach außen herausgeführt. Außerdem sind die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen elektrisch über die Kabel 86 an eine nicht dargestellte Steuerung angeschlossen.
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Der Ultraschallströmungsmesser 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut. Als nächstes werden die Betriebsweise und Wirkungen des Ultraschallströmungsmessers 10 erläutert. Eine Flüssigkeit wird dem Zufuhrdurchgang 86 durch das Rohr/Schlauch von einer nicht dargestellten Flüssigkeitszufuhrquelle zugeführt. Die Flüssigkeit strömt durch die Verbindungslöcher 84 einer der Erfassungseinheiten 18a in den Zufuhrdurchgang 86 und fließt dann in den Durchgang 12. Anschließend fließt die Flüssigkeit durch die Verbindungslöcher 84 der anderen der Erfassungseinheiten 18b und fließt in den Auslassdurchgang 60.
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In einem Zustand, in dem die Flüssigkeit innerhalb des Durchgangs 12 des Gehäuses 14 fließt, werden in dem Ultraschallströmungsmesser 10 akustische Wellensignale beispielsweise von der Einheit 16a zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der mit dem einen Ende des Gehäuses 14 verbundenen Erfassungseinheit 18a übertragen, und die akustischen Wellensignale verbreiten sich innerhalb der Flüssigkeit, wobei sie durch die innere Wandfläche des Durchgangs 12 reflektiert werden. Sie werden dann von der Einheit 16b zur Übertragung und Erfassung akustischer Wellen der Erfassungseinheit 18b, die mit dem anderen Ende des Gehäuses 14 verbunden ist, empfangen. In diesem Fall verbreiten sich die akustischen Wellensignale entlang der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils B in 1).
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In umgekehrter Weise werden außerdem akustische Wellensignale von der Einheit 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der mit dem anderen Ende des Gehäuses 14 verbundenen Detektionseinheit 18b übertragen, und die akustischen Wellensignale werden durch die Einheit 16a zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der mit dem einen Ende des Gehäuses 14 verbundenen Erfassungseinheit 18a empfangen. In diesem Fall verbreiten sich die akustischen Wellensignale in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils A in 1).
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Außerdem werden Empfangssignale auf der Basis der akustischen Wellensignale, die von den Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen empfangen werden, über die Kabel 86 an die nicht dargestellte Steuerung ausgegeben. Eine Ausbreitungszeitdifferenz ΔT wird von der nicht dargestellten Steuerung aus den Detektionssignalen auf der Basis einer Ausbreitungszeit T1 für den Fall, in welchem die akustischen Wellensignale sich in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils B) ausgebreitet haben, und einer Ausbreitungszeit T2 für den Fall, in welchem die akustischen Wellensignale sich in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils A) ausgebreitet haben, berechnet. Eine Geschwindigkeit V, d. h. eine Strömungsrate der Flüssigkeit, wird aus der Ausbreitungszeitdifferenz ΔT errechnet.
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In der oben beschriebenen Weise sind bei der ersten Ausführungsform der Ultraschallströmungsmesser 10, in dem das Paar von Erfassungseinheiten 18a, 18b im Inneren des Gehäuses 14 aufgenommen ist, die Verbindungsstopfen 34, 58 jeweils mit gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 14 verbunden, und eine Flüssigkeit, die durch den Zufuhrdurchgang 86 eines der Verbindungsstopfen 34 zugeführt wird, strömt durch den Durchgang 12 des Gehäuses 14 und wird von dem Ablassdurchgang 60 des anderen Verbindungsstopfens 58 nach außen abgeführt. Da die Verbindungsstopfen 34, 58 in einer geraden Linie relativ zu dem Durchgang 12 des Gehäuses 14 angeschlossen sind, werden Druckvariationen in der Flüssigkeit auf ein Minimum beschränkt, wenn die Flüssigkeit von dem Zufuhrdurchgang 36 in den Durchgang 12 fließt und wenn die Flüssigkeit von dem Durchgang 12 in den Ablassdurchgang 60 fließt. Dadurch kann die Erzeugung von Gasblasen, die durch solche Druckvariationen bewirkt würden, vermieden werden.
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Als Folge hiervon kann das Anhaften der Gasblasen, die in der Flüssigkeit an den Haltern 74 der Erfassungseinheiten 18a, 18b erzeugt werden, vermieden werden. Eine Verringerung der Erfassungsgenauigkeit, die durch das Anhaften solcher Gasblasen bewirkt würde, kann vermieden werden. Somit kann die Strömungsrate der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit durch die Erfassungseinheiten 18a, 18b gemessen werden.
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Da das Paar von Verbindungsstopfen 34, 58 entlang einer geraden Linie an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 14 angeordnet ist, kommt es außerdem im Vergleich zu den Ultraschallströmungsmessern des Standes der Technik nicht zu einer Vergrößerung des äußeren Umfangs des Gehäuses 14. Dadurch kann der Platzbedarf der für die Installation des Ultraschallströmungsmessers erforderlich ist, minimiert werden. Da die Rohre/Schläuche an die Verbindungsstopfen 34, 58 entlang einer geraden Linie angeschlossen werden können, lässt sich außerdem das Layout und die Handhabung der Rohre/Schläuche vereinfachen.
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Bei den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitten 22, 24 des Gehäuses 14 sind die ersten und zweiten Gewindeabschnitte 32, 56 in Form von Trapezgewinden an äußeren Umfangsflächen der ersten und zweiten Verbindungselemente 30, 54 vorgesehen. Hierdurch werden die Gewindeabschnitte 34a, 58a der Verbindungsstopfen 34, 58 jeweils von der Seite des äußeren Umfangs her mit den ersten und zweiten Gewindeabschnitten 32, 56 verschraubt. Im Vergleich zu der Verwendung von Gewindeabschnitten mit dreieckigem Querschnitt, wie es beim Stand der Technik üblich ist, kann dementsprechend bei dem Ultraschallströmungsmesser 10 ein Lösen der Verbindungsstopfen 34, 58 vermieden werden und deren sichere Befestigung, die sich nicht leicht löst, erreicht werden, weil die Verbindungstopfen 34, 58 mit hoher Befestigungskraft an dem Gehäuse 14 befestigt werden können.
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Des Weiteren werden die Eingriffsstifte 42 in die Durchgangslöcher 40, 62 der Verbindungsstopfen 34, 58 in Richtung der inneren Umfangsseite in einem Zustand eingesetzt, in dem die Verbindungsstopfen 34, 58 mit den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitten 22, 24 in dem Gehäuse 14 verschraubt sind. Ihre distalen Enden werden jeweils in Eingriff mit den äußeren Umfangsseiten der ersten und zweiten Verbindungselemente 30, 54 gebracht. Hierdurch kann ein Lösen der Verbindungsstopfen 34, 58 von den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitten 22, 24 zuverlässig verhindert werden.
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Auch in dem Fall, dass beispielsweise Vibrationen auf den Ultraschallströmungsmesser 10 aufgebracht werden, kann hierdurch ein Lösen der Verbindungsstopfen 34, 58 von dem Gehäuse 14 verhindert werden. Zu geringen Kosten und mit einem einfachen Aufbau kann ein Herausfallen oder Trennen der an die Verbindungsstopfen 34, 58 angeschlossenen Schläuche/Rohre zuverlässig verhindert werden.
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Indem die ringförmigen Vorsprünge 46, 66 an Enden der ersten und zweiten Verbindungselemente 30, 54 vorgesehen werden, werden außerdem die Vorsprünge 46, 66 in die Pressnuten 48, 68 der Verbindungsstopfen 34, 58 eingepresst und dort deformiert, wenn die Verbindungsstopfen 34, 58 mit den ersten und zweiten Verbindungselementen 30, 54 verschraubt werden. Dementsprechend kann zwischen den ersten und zweiten Verbindungselementen 30, 54 und den Verbindungsstopfen 34, 58 eine zuverlässige Abdichtung erreicht werden, und die Verbindungsstopfen 34, 58 können noch fester an den ersten und zweiten Verbindungselementen 30, 54 befestigt werden.
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Außerdem ist der Installationsanschluss 26 des Kanals 20 in dem Gehäuse 14 vorgesehen, wodurch ein Messsensor 28, beispielsweise ein Drucksensor, ein Temperatursensor oder dergleichen, direkt und wahlweise durch den Installationsanschluss 26 angebracht werden kann. In dem Fall, dass die Strömungsrate einer Flüssigkeit gemessen werden soll, wird im Allgemeinen die Temperatur der Flüssigkeit gemessen und eine Temperaturkorrektur an der Messung der Strömungsrate durchgeführt, um die Präzision zu verbessern. Im Vergleich zu dem Fall, in dem ein Temperatursensor separat von dem Ultraschallströmungsmesser 10 vorgesehen ist, um eine solche Temperaturmessung durchzuführen, kann die Verrohrung vereinfacht werden. Da der Messsensor 28 (Temperatursensor) in der unmittelbaren Umgebung der Flüssigkeit, für welche die Strömungsratenmessung durchgeführt wird, angeordnet werden kann, kann die Temperaturmessung mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden. Mit Hilfe einer hochpräzisen Temperaturkorrektur kann die Messung der Strömungsrate mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.
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Als nächstes wird ein Ultraschallströmungsmesser 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform in den 5 und 6 gezeigt. Diejenigen Aufbauelemente, die die gleichen sind wie bei dem Ultraschallströmungsmesser 10 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Auf die obige Beschreibung wird insoweit verwiesen.
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Der Ultraschallströmungsmesser 100 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Ultraschallströmungsmesser 10 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform dahingehend, dass, wie in 5 gezeigt ist, Vibrationsabsorptionselemente (Ausbreitungselemente) 106 jeweils zwischen den Haltern 104 und den Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der Erfassungseinheiten 102a, 102b vorgesehen werden.
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Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, umfassen die Erfassungseinheiten 102a, 102b Halter 104, die in den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitten 22 bzw. 24 des Gehäuses 14 aufgenommen sind und dem Durchgang 12 des Gehäuses 14 zugewandt sind, Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen, die im Inneren der Halter 104 vorgesehen sind, und Vibrationsabsorptionselemente 106, die zwischen den Haltern 104 und den Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen aufgenommen sind.
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Die Halter 104 bestehen beispielsweise aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial und haben einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit Aufnahmelöchern 108, die sich in der axialen Richtung (der Richtung der Pfeile A und B) in ihren zentralen Abschnitten erstrecken. Außerdem haben die Halter 104 konische Abschnitte (Vorsprünge) 110, die mit dreieckigem Querschnitt an ihren anderen Enden, die dem Durchgang 12 gegenüberliegen, vorstehen.
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Die Vibrationsabsorptionselemente 106 sind so geformt, dass ihre distalen Enden konisch geformt sind, beispielsweise aus einem Harz- oder Kunststoffmaterial, das in der Lage ist, Vibrationen zu absorbieren oder zu dämpfen. Die distalen Enden sind im Inneren der konischen Abschnitte 110 der Halter 104 aufgenommen. Im Einzelnen sind die sich verjüngenden oder konischen distalen Enden der Vibrationsabsorptionselemente 106 an den Seiten des Durchgangs 12 angeordnet.
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Als Harz- oder Kunststoffmaterial, aus dem die Vibrationsabsorptionselemente 106 hergestellt sind, kann beispielsweise Polyetherimid (PEI) verwendet werden. Anders ausgedrückt bestehen die Vibrationsabsorptionselemente 106 aus einem Material, in welchem eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Signale schneller ist als eine Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Material der Halter 104, in welchem die Vibrationsabsorptionselemente 106 aufgenommen sind.
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Außerdem sind die anderen Enden der Vibrationsabsorptionselemente 106 mit flacher Gestalt senkrecht zu der axialen Richtung (der Richtung der Pfeile A und B) ausgebildet, und die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen sind daran befestigt.
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In einem Zustand, in dem Flüssigkeit durch das Innere des Durchgangs 12 des Gehäuses 14 in dem Ultraschallströmungsmesser 100 fließt, werden außerdem akustische Wellensignale beispielsweise der Einheit 16a zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen einer der Erfassungseinheiten 102a, die mit einem Ende des Gehäuses 114 verbunden ist, übertragen. Nachdem die akustischen Wellen durch die Vibrationsabsorptionselemente 106 hindurchgetreten sind, breiten sich die akustischen Wellensignale in der Flüssigkeit aus, wobei sie durch die innere Wandfläche des Durchgangs 12 reflektiert werden. Dann werden die akustischen Wellensignale von der Einheit 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der anderen Erfassungseinheit 102b, die mit dem anderen Ende des Gehäuses 14 verbunden ist, empfangen.
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In diesem Fall breiten sich die akustischen Wellensignale in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (der Richtung des Pfeils B in 5) aus, und die akustischen Wellensignale breiten sich mit einer Intensität aus, die durch das Vibrationsabsorptionselement 106 verstärkt wurde.
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In umgekehrter Weise werden außerdem akustische Wellensignale von der Einheit 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen der Erfassungseinheit 102b, die mit dem anderen Ende des Gehäuses 14 verbunden ist, übertragen. Nachdem sie durch das Vibrationsabsorptionselement 106 hindurchgetreten sind, werden die akustischen Wellensignale von der Einheit 102a zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen, die mit dem einen Ende des Gehäuses 14 verbunden ist, empfangen. In diesem Fall breiten sich die akustischen Wellensignale entlang einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (der Richtung des Pfeils A in 5) aus.
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Darüber hinaus werden Empfangssignale auf der Basis der akustischen Wellensignale, die von den Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen empfangen werden, über die Kabel 86 an die nicht dargestellte Steuerung ausgegeben. Eine Ausbreitungszeitdifferenz ΔT wird von der nicht dargestellten Steuerung aus den Detektionssignalen auf der Basis einer Ausbreitungszeit T1 für einen Fall, in welchem die akustischen Wellensignale sich in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils B) ausgebreitet haben, und einer Ausbreitungszeit T2 für den Fall, in dem sich die akustischen Wellensignale in der Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Flüssigkeit (in der Richtung des Pfeils A) ausgebreitet haben, errechnet. Eine Geschwindigkeit V, d. h. eine Strömungsrate der Flüssigkeit, wird aus der Ausbreitungszeitdifferenz ΔT errechnet.
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In der oben beschriebenen Weise kann bei der zweiten Ausführungsform durch Vorsehen der konischen Abschnitte 110, die mit dreieckigen Querschnitt zu dem Durchgang 12 an den anderen Enden der Halter 104 der Erfassungseinheiten 102a, 102b vorstehen, die Strömung der Flüssigkeit durch den Durchgang 12 des Gehäuses 14 durch die konischen Abschnitte 110 begradigt und in laminare Form gebracht werden. Hierdurch werden Druckverluste reduziert und die Erzeugung von Gasblasen kann wirksam verhindert werden. Als Folge hiervon kann die Verringerung der Erfassungsgenauigkeit, die durch das Anhaften von Gasblasen an den Haltern 104 der Erfassungseinheiten 102a, 102b bewirkt würde, noch wirksamen verhindert werden.
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Indem die Vibrationsabsorptionselemente 106 in dem Inneren der konischen Abschnitte 110 an den Haltern 104 vorgesehen werden, wird außerdem die Intensität der akustischen Wellensignale, die durch die Einheiten 16a, 16b zum Übertragen und Empfangen akustischer Wellen übertragen und empfangen werden, erhöht. Hierdurch lässt sich die Messung der Strömungsrate in ausreichender Weise durchführen, auch dann, wenn zu Zeiten geringer Strömungsrate die Strömungsrate der Flüssigkeit klein ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2793133 [0003, 0004, 0006, 0009]
- JP 3246851 [0005, 0009]
- JP 2002-365106 A [0007, 0008, 0009]
