DE102014115589A1 - Arrangement for emitting and / or receiving an ultrasonic useful signal and ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals (U) in ein Messmedium (M), umfassend ein Vibrationsentkopplungselement (10, 30, 50, 60, 70) zum Festlegen mindestens eines Ultraschallwandlers (51, 62, 72) in einem Behältnis, wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) oder der Ultraschallwandler (51, 62, 72) über eine Einkopplungsfläche (E) Ultraschall-Nutzsignale (U) an ein Messmedium (M) abgibt und wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) eine Schnittstelle aufweist, an welcher der Ultraschallwandler (51, 62, 72) an das Behältnis, insbesondere an ein Messrohr oder einen Tank, oder an einen am Behältnis angebrachten Sensorstutzen (58), anschließbar ist, welches Behältnis teilweise oder vollständig mit Messmedium (M) gefüllt ist; und wobei die Amplitude des im Messmedium (M) übertragenen Nutzsignals (U) unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals (U) um mehr als 20 dB grösser ausfällt als die Amplitude des über die Schnittstelle und über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Vibrationsentkopplungselements rotationsassymetrisch ausgebildet ist oder dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 70) eine Aufnahme (54, 71) zur Halterung eines Ultraschallwandlers (51, 72) aufweist und einen Grundkörper (56, 73) zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements (50, 70) an dem Sensorstutzen(58) oder dem Behältnis aufweist, und wobei zwischen der Aufnahme (54, 71) und dem Grundkörper (63, 73) eine offene Stützstruktur (64, 74) angeordnet ist.An arrangement for emitting and / or receiving an ultrasonic useful signal (U) in a measuring medium (M), comprising a vibration decoupling element (10, 30, 50, 60, 70) for fixing at least one ultrasonic transducer (51, 62, 72) in one Container, wherein the vibration decoupling element (50, 60, 70) or the ultrasonic transducer (51, 62, 72) via a coupling surface (E) ultrasonic useful signals (U) to a measuring medium (M) emits and wherein the vibration decoupling element (50, 60, 70) has an interface at which the ultrasonic transducer (51, 62, 72) to the container, in particular to a measuring tube or a tank, or to a sensor attached to the receptacle (58), can be connected, which container partially or completely with measuring medium (M) is filled; and wherein the amplitude of the useful signal (U) transmitted in the measuring medium (M) under reference conditions and in the frequency range of the useful signal (U) is greater than 20 dB greater than the amplitude of the interfering signal transmitted via the interface and over the wall of the container, characterized in that the structure of the vibration decoupling element is rotationally asymmetrical or that the vibration decoupling element (50, 70) has a receptacle (54, 71) for holding an ultrasound transducer (51, 72) and a base body (56, 73) for fixing the vibration decoupling element (50, 70 ) on the sensor stub (58) or the container, and wherein between the receptacle (54, 71) and the base body (63, 73) an open support structure (64, 74) is arranged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät.The present invention relates to an arrangement for emitting and / or receiving an ultrasonic useful signal according to the preamble of
Es ist bekannt, dass bei Ultraschall-Transducern ein möglichst hohes Verhältnis aus Nutzsignal (akustische Energie über das Messmedium) zu Störsignal (akustische Energie über das Messrohr) angestrebt wird. Dieses Verhältnis wird auch als Signal-to-Noise-Ratio oder SNR bezeichnet. Ein großes SNR wird insbesondere bei Ultraschall-Inline-Durchflusszählern (DFZ) angestrebt, die bei gasförmigen Medien zum Einsatz kommen, weil hierbei die Einkopplung der akustischen Energie vom harten Festkörper-Transducer (mit hoher akustischer Impedanz) ins „weiche“, gasförmige Medium (mit niedriger akustischer Impedanz) besonders ineffizient ist, also besonders wenig Energie eingekoppelt werden kann. Um die geringe akustische Energie am gegenüberliegenden Transducer sicher empfangen und auswerten zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass Störsignale, die z.B. über die Messrohrwände gelaufen sind, vom gegenüberliegenden Transducer fernzuhalten. Hierfür ist ein hohes SNR maßgeblich.It is known that ultrasound transducers aim for the highest possible ratio of useful signal (acoustic energy via the measuring medium) to interfering signal (acoustic energy via the measuring tube). This ratio is also referred to as signal-to-noise ratio or SNR. A large SNR is especially aimed at ultrasonic in-line flow meters (DFZ), which are used in gaseous media, because the coupling of the acoustic energy from the hard solid-state transducer (with high acoustic impedance) into the "soft", gaseous medium ( With low acoustic impedance) is particularly inefficient, so very little energy can be coupled. In order to be able to reliably receive and evaluate the low acoustic energy at the opposite transducer, it is of crucial importance that interference signals, e.g. passed over the measuring tube walls, to keep away from the opposite transducer. This is due to a high SNR.
Aus der Literatur und Patentschriften ist eine Vielzahl an Lösungsansätzen für diese Aufgabenstellung bekannt. Hierzu zählt z.B. der Vorschlag in
In der
Die
Aus dem Stand der Technik ist ein relativ neuartiges generatives Fertigungsverfahren, „selektives Laserschmelzen“, bekannt, welches auf eine Dissertation aus dem Jahre 1999 zurückgeht (
Gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren wie z.B. Gussverfahren zeichnet sich das Laserschmelzen dadurch aus, dass Werkzeuge oder Formen entfallen (formlose Fertigung) und dadurch die Prototypenbauzeit oder Produkteinführungszeit reduziert werden kann. Gegenüber dem CNC-Bearbeiten von Halbzeugen besteht der Vorteil einer immensen Geometriefreiheit, die Bauteilformen ermöglicht, die mit konventionellen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Hierzu zählen beispielsweise Hinterschnitte oder Trennwände im 20 µm-Dickenbereich.Compared to conventional manufacturing processes such as casting processes, laser melting is characterized by the elimination of tools or molds (informal production), which can reduce the prototyping time or product launch time. Compared to the CNC machining of semi-finished products has the advantage of a immense freedom of geometry that allows component shapes that can not be produced with conventional methods or only with great effort. These include, for example undercuts or partitions in the 20 micron thickness range.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Vibrationsentkopplungselement bereitzustellen, welches in kompakter Bauweise ausgestaltet ist, eine wirksame Vibrationsentkopplung des Körperschalls zu einem Behältnis hin ermöglicht und kostengünstig fertigbar ist. Unter Körperschall sind diejenigen vom Piezoelement ausgesandten Schallanteile zu verstehen, die sich ausschließlich in Festkörpern ausbreiten. Da elastische Festkörper im Gegensatz zu einem Fluid neben Normalspannung auch Schwerspannungen aufnehmen können lassen sich bei Körperschallwellen Longitudinal- und Transversalwellen unterscheiden. Beide Wellenarten führen beim Ultraschall-Empfangstransducer zu einer Anregung, die sich im auszuwertenden elektrischen Empfangssignal wiederfindet. Da diese Anregungen in keinem Bezug zur Messgröße stehen sind sie störend, insbesondere weil sie die Auswertung des Nutzsignals hinsichtlich der Messgröße erschweren. Aus diesem Grund wird in US-Durchflussmessgeräten und US-Füllstandssensoren eine maximale Körperschallentkopplung angestrebt.Based on the aforementioned prior art, it is now an object of the present invention to provide a vibration decoupling element, which is designed in a compact design, allows effective vibration isolation of structure-borne noise to a container out and cost manufacturable. Structure-borne sound is understood to mean the sound components emitted by the piezoelectric element which propagate exclusively in solids. Since elastic solids, in contrast to a fluid in addition to normal stress and can absorb heavy voltages can be distinguished in structure-borne sound waves longitudinal and transverse waves. Both types of waves lead to an excitation in the ultrasonic receiving transducer, which is reflected in the received electrical signal to be evaluated. Since these suggestions are unrelated to the measured variable, they are disturbing, in particular because they make the evaluation of the useful signal in terms of the measured variable more difficult. For this reason, US flow meters and US level sensors aim for maximum structure-borne noise decoupling.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The present invention solves this problem by an arrangement having the features of
Eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals in ein Messmedium umfasst ein Vibrationsentkopplungselement zum Festlegen mindestens eines Ultraschallwandlers in einem Behältnis und den zumindest einen Ultraschallwandler. Ein Ultraschall-Nutzsignal ist dabei beispielsweise ein Signal welches Informationen über den Durchfluss, die Schallgeschwindigkeit, den Füllstand und/oder die Art des Messmediums, bis hin zu Einzelkonzentrationen einer Komponente in einem Stoffgemisch, enthält. Aus dem Ultraschall-Nutzsignal kann z.B. eine Laufzeitdifferenz und/oder eine Laufzeit im jeweiligen Messmedium ermittelt werden.An arrangement for emitting and / or receiving an ultrasonic useful signal in a measuring medium comprises a vibration decoupling element for fixing at least one ultrasonic transducer in a container and the at least one ultrasonic transducer. An ultrasonic useful signal is, for example, a signal which contains information about the flow, the speed of sound, the level and / or the type of the measuring medium, down to individual concentrations of a component in a substance mixture. From the ultrasonic useful signal can e.g. a transit time difference and / or a transit time in the respective measuring medium are determined.
Das Vibrationsentkopplungselement weist zudem einen Grundkörper zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements an dem an dem Behältnis angeordneten Sensorstutzen oder direkt an der Behältniswand auf. Der Grundkörper kann unterschiedlich ausgeformt sein. Er kann beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann der Grundkörper als eine gewölbte Platte ausgestaltet sein. Dadurch kann ein Anschluss an das Behältnis erfolgen, der einen Sensorstutzen überflüssig macht. Der Grundkörper und eine Schnittstelle zur Halterung des Ultraschallwandlers dienen als Bezugspunkte, zwischen denen ein spezielles Strukturelement angeordnet ist, welches eine Vibrationsentkopplung ermöglicht.The vibration decoupling element also has a base body for fixing the vibration decoupling element on the sensor nozzle arranged on the container or directly on the container wall. The main body can be shaped differently. For example, it can be plate-shaped. In a particularly preferred embodiment, the main body may be configured as a curved plate. This can be a connection to the container, which makes a sensor nozzle unnecessary. The main body and an interface for mounting the ultrasonic transducer serve as reference points, between which a special structural element is arranged, which allows a vibration decoupling.
Der Grundkörper weist die erste Schnittstelle auf, an welcher der Ultraschallwandler an das Behältnis oder an einen daran angeordneten Sensorstutzen anschließbar bzw. mit dem Behältnis oder dem Sensorstutzen verbunden ist. Bei dem Behältnis kann es sich im Fall eines Durchflussmessgerätes um ein Messrohr handeln. Bei Füllstandsmessgeräten kann es sich um einen Tank handeln. Ein Sensorstutzen kann insbesondere an das Messrohr oder den Tank angeschweißt sein. Dieser Sensorstutzen dient der Verankerung der Anordnung am Messrohr.The main body has the first interface, at which the ultrasonic transducer is connectable to the container or to a sensor stub arranged thereon or connected to the container or the sensor stub. The container may be a measuring tube in the case of a flowmeter. Level gauges can be a tank. A sensor nozzle may in particular be welded to the measuring tube or the tank. This sensor nozzle serves to anchor the arrangement on the measuring tube.
Eine Schnittstelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart zu verstehen, dass es sich dabei um eine zweidimensionale Fläche handelt an welcher ein Formenübergang oder ein Bauteilübergang erfolgt. Ein Formenübergang ist in diesem Zusammenhang der Übergang von einer geometrischen Form in eine andere, so z.B. der Übergang von einem Stab zu einer Kugel. Ein Bauteilübergang ist demgegenüber der Übergang zweier Einzelbauteile, welche miteinander verbunden sind. Übliche Verbindungstechniken zweier Bauteile sind beispielsweise Schrauben, Kleben oder Schweißen, wobei die besagte Schnittstelle die Fläche ist, mit welcher ein Bauteil mit einem anderen verklebt oder verschweißt wird. Im Falle des Verschraubens ist die besagte Schnittstelle so z.B. die Gewindefläche.An interface is to be understood in the context of the present invention such that it is a two-dimensional surface on which a mold transition or a component transition takes place. A shape transition in this context is the transition from one geometric shape to another, e.g. the transition from a staff to a ball. In contrast, a component transition is the transition between two individual components which are connected to one another. Typical joining techniques of two components are, for example, screws, gluing or welding, wherein the said interface is the surface with which one component is glued or welded to another. In the case of screwing, the said interface is e.g. the threaded surface.
Das Vibrationsentkopplungselement weist zudem eine zweite Schnittstelle zur Halterung eines Ultraschallwandlers auf. An dieser zweiten Schnittstelle kann der Ultraschallwandler festgelegt werden.The vibration decoupling element also has a second interface for mounting an ultrasonic transducer. At this second interface, the ultrasonic transducer can be set.
Der Ultraschallwandler umfasst zumindest ein Piezoelement. Der Ultraschallwandler kann allerdings auch zusätzlich einen Halter bzw. ein Halteelement umfassen, in welchem das Piezoelement angeordnet ist. Er kann insbesondere auch ein Abstrahlelement, z.B. mit einer Abstrahlplatte, enthalten, durch welches die Ultraschallsignale des Piezoelements durchgeleitet und an das Messmedium abgegeben werden. Der Ultraschallwandler kann zudem eine oder mehrere Koppelschichten oder Anpassungsschichten umfassen. Eine bevorzugte Koppelschicht ist dabei eine lambda/4-Koppelschicht.The ultrasonic transducer comprises at least one piezoelectric element. However, the ultrasonic transducer may also include a holder or a holding element, in which the piezoelectric element is arranged. In particular, it may also comprise a radiating element, e.g. with a radiating plate, containing, through which the ultrasonic signals of the piezoelectric element are passed and delivered to the measuring medium. The ultrasonic transducer may also include one or more coupling layers or matching layers. A preferred coupling layer is a lambda / 4 coupling layer.
Das Vibrationsentkopplungselement sorgt für eine Dämpfung der Vibrationen, welche u.a. durch den Körperschall hervorgerufen werden. Das Vibrationsentkopplungselement kann unterschiedlich geometrisch ausgestaltet sein. Die Vibrationsdämpfung kann durch unterschiedliche geometrische Merkmale erreicht werden, so dass sich das Vibrationsentkopplungselement am Besten in funktionaler Weise definieren lässt. Diese Vibrationsentkopplung bzw. Vibrationsdämpfung des Vibrationsentkopplungselements kann derart definiert werden, dass die Amplitude des im Medium übertragenen Nutzsignals, also das eigentliche Messsignal, unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals um mehr als 20 dB grösser ausfällt als die Amplitude des über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals, welches durch Körperschall hervorgerufen wird. Bei den vorgenannten Amplituden handelt es sich vorzugsweise um die sogenannte Peak-to-Peak Amplitude.The vibration decoupling element ensures a damping of the vibrations, which are caused by the structure-borne sound, among other things. The vibration decoupling element can be designed differently geometrically. The vibration damping can be achieved by different geometric features, so that the The best way to define the vibration decoupling element in a functional way. This vibration decoupling or vibration damping of the vibration decoupling element can be defined such that the amplitude of the useful signal transmitted in the medium, ie the actual measuring signal, under reference conditions and in the frequency range of the useful signal by more than 20 dB greater than the amplitude of the transferred over the wall of the container Interference signal, which is caused by structure-borne sound. The aforementioned amplitudes are preferably the so-called peak-to-peak amplitude.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante fällt die Amplitude, vorzugsweise die Peak-to-Peak Amplitude, des im Medium übertragenen Nutzsignals, also das eigentliche Messsignal, unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals um mehr als 30 dB insbesondere mehr als 40 dB grösser aus als die Amplitude des über die erste Schnittstelle und des über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals welches durch Körperschall hervorgerufen wird. Eine Vibrationsentkopplung von 30 dB, ja sogar 40 dB, kann mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erreicht werden.In a preferred embodiment variant, the amplitude, preferably the peak-to-peak amplitude, of the useful signal transmitted in the medium, ie the actual measurement signal, falls by more than 30 dB and more than 40 dB greater than the amplitude under reference conditions and in the frequency range of the useful signal the over the first interface and over the wall of the container transferred interference signal which is caused by structure-borne noise. A vibration decoupling of 30 dB, even 40 dB, can be achieved with the embodiments illustrated in the figures.
Die besagten Referenzbedingungen sind Folgende: Temperatur = 20°C, Druck im Behältnis, z.B. im Messrohr oder Tank bzw. an der Einkopplungsfläche = 1bar absolut, das Referenz-Messmedium ist Luft für Messgeräte, z.B. Durchflussmessgeräte, welche als Gasgeräte ausgelegt sind oder Wasser für Messgeräte die als Flüssiggeräte ausgelegt sind. Unter Referenzbedingungen liegt kein Durchfluss des Messmediums im Messrohr vor.The said reference conditions are as follows: temperature = 20 ° C, pressure in the container, e.g. in the measuring tube or tank or at the coupling surface = 1bar absolute, the reference measuring medium is air for measuring instruments, e.g. Flow meters, which are designed as gas appliances or water for measuring devices that are designed as liquid devices. Under reference conditions there is no flow of the measuring medium in the measuring tube.
Die Ultraschall-Nutzsignale werden durch eine Einkopplungsfläche gerichtet an das Messmedium abgegeben. Demgegenüber werden die Körperschall-Störsignale in alle Richtungen des Festkörpers ausgesandt, der zur Festlegung des Piezoelements dient. Damit findet auch eine Übertragung auf das Behältnis, beispielsweise auf ein Messrohr, statt.The useful ultrasonic signals are emitted by a coupling surface directed to the measuring medium. In contrast, the structure-borne noise signals are emitted in all directions of the solid, which serves to fix the piezoelectric element. This is also a transfer to the container, such as a measuring tube, instead.
Die besagte Einkopplungsfläche kann u.a. einer Haltevorrichtung des Ultraschallwandlers zugeordnet sein. Alternativ kann die Einkopplungsfläche auch Teil einer Aufnahme für den Ultraschallwandler sein, welche in diesem Fall dem Vibrationsentkopplungselement zugeordnet ist.The said coupling surface may i.a. be associated with a holding device of the ultrasonic transducer. Alternatively, the coupling-in surface can also be part of a receptacle for the ultrasonic transducer, which in this case is assigned to the vibration-decoupling element.
Das Vibrationsentkopplungselement kann eine offene Struktur aufweisen, welche zwischen der zweiten Schnittstelle zur Halterung bzw. Festlegung des Ultraschallwandlers und dem Grundkörper zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements an dem Sensorstutzen oder dem Behältnis angeordnet ist. Diese offene Struktur ist als eine Stützstruktur ausgebildet und kann funktional verstanden werden. Die Bestandteile der offenen Struktur übernehmen im Wesentlichen die Stützfunktion des Ultraschallwandlers. Dabei bildet die Gesamtheit der stützenden Bestandteile, also z.B. nur die Strukturelemente
Sofern die offene Struktur von einer Hohlmembran umgeben ist, so können die Zwischenräume der offenen Struktur mit einem anderen Material, z.B. Metallpulver oder dergleichen, gefüllt sein.If the open structure is surrounded by a hollow membrane, the interspaces of the open structure may be filled with another material, e.g. Metal powder or the like, to be filled.
Zusätzlich oder alternativ weist das Vibrationsentkopplungselement, insbesondere die vorbeschriebene offene Stützstruktur bzw. die Gesamtheit aus der Verbindungselemente und/oder Strukturentkopplungselemente erfindungsgemäß eine Rotationsasymmetrie, also keine Rotationssymmetrie, auf. Zweidimensionale Objekte sind rotationssymmetrisch, wenn eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um die Rotationsachse das Objekt auf sich selbst abbildet. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Vibrationsentkopplung erreicht.Additionally or alternatively, the vibration decoupling element, in particular the above-described open support structure or the entirety of the connecting elements and / or structure decoupling elements according to the invention a rotational asymmetry, so no rotational symmetry on. Two-dimensional objects are rotationally symmetric when rotation about any angle about the rotation axis images the object on itself. This achieves a further improvement of the vibration decoupling.
Die im Stand der Technik dargestellten Strukturen zur Vibrationsentkopplung sind stets als rotationssymmetrische Hülsen aufgebaut. Dies bewirkt eine Resonanz. Diese Resonanz wird durch den rotationsasymmetrischen Aufbau des Vibrationsentkopplungselements verhindert. Rotationsasymmetrie kann in diesem Zusammenhang z.B. hergestellt werden, indem einzelne rotationssymmetrische Bauteile so z.B. die Aufnahme des Ultraschallwandlers derart gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements positioniert werden, dass die Rotationsachse des jeweiligen Bauteils nicht deckungsgleich mit der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements liegt. Es ist auch möglich an einer oder mehreren Stellen des Vibrationsentkopplungselements eine Unwucht oder dergleichen vorzusehen oder anzuordnen. Es gibt vielfältige Möglichkeiten eine Rotationsasymmetrie zu erreichen.The structures for vibration decoupling shown in the prior art are always constructed as rotationally symmetrical sleeves. This causes a resonance. This resonance is prevented by the rotationally asymmetric structure of the vibration decoupling element. Rotation asymmetry may in this context be e.g. be prepared by individual rotationally symmetric components such. the recording of the ultrasonic transducer are positioned relative to the longitudinal axis of the vibration decoupling element such that the axis of rotation of the respective component is not congruent with the longitudinal axis of the vibration decoupling element. It is also possible to provide or arrange an imbalance or the like at one or more locations of the vibration decoupling element. There are many ways to achieve rotational asymmetry.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Das Vibrationsentkopplungselement kann insbesondere monolithisch aufgebaut sein. Korrosionserscheinungen an etwaigen Nahtstellen oder ein Ablösen einzelner geometrischer Elemente durch Ermüdungserscheinungen an Verbindungsstellen werden vorteilhaft vermieden.The vibration decoupling element can be constructed in particular monolithic. Corrosion phenomena at any seams or detachment of individual geometric elements by fatigue at joints are advantageously avoided.
Die Einkopplungsfläche kann als Teil des Vibrationsentkopplungselements ausgebildet sein. Auf diese Weise sind alle mediumsberührenden Flächen in einem Herstellungsschritt realisierbar. Zum Einsatz des Piezoelements kann z.B. der Herstellungsprozess unterbrochen werden. The coupling surface may be formed as part of the vibration decoupling element. In this way, all surfaces in contact with the medium can be realized in one production step. For example, the production process can be interrupted for use of the piezoelectric element.
Das Vibrationsentkopplungselement kann als ein metallisches Bauteil ausgebildet sein. Es besteht vorteilhaft zumindest bereichsweise aus einem der folgenden Materialien:
- a) Stahl, insbesondere Edelstahl oder Werkzeugstahl;
- b) Titan oder einer Titanlegierung;
- c) einer Nickelbasislegierung,
- d) Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
- e) einer Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierung,
- f) einer Bronzelegierung,
- g) einer Edelmetalllegierung,
- h) einer Kupferlegierungen
- a) steel, in particular stainless steel or tool steel;
- b) titanium or a titanium alloy;
- c) a nickel-based alloy,
- d) aluminum or an aluminum alloy,
- e) a chromium-cobalt-molybdenum alloy,
- f) a bronze alloy,
- g) a precious metal alloy,
- h) a copper alloys
Besonders bevorzugte Materialien für die mediumsberührenden und damit korrosionsanfälligen Flächen von Ultraschall-Transducern sind insbesondere Titan und seine Legierungen, Nickellegierungen sowie Edelstähle. Aufgrund seiner relativ geringen Dichte von ca. 4.5 kg/dm3 und damit deutlich geringeren akustischen Impedanz gegenüber Edelstahl mit ca. 7.9 kg/dm3 ist Titan als Material für die Struktur, die die Schallwellen ins Medium überträgt besonders bevorzugt. Andererseits lässt sich Titan aufgrund seiner hohen Reaktivität mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen und/oder erhöhtem Druck nur sehr aufwändig mechanisch bearbeiten. Deshalb bietet sich eine Formgebung mittels selektivem Laserschmelzen besonders bevorzugt an.Particularly preferred materials for the medium-contacting and thus corrosion-prone surfaces of ultrasonic transducers are, in particular, titanium and its alloys, nickel alloys and stainless steels. Due to its relatively low density of about 4.5 kg / dm 3 and thus significantly lower acoustic impedance compared to stainless steel with about 7.9 kg / dm 3 , titanium is particularly preferred as the material for the structure that transmits the sound waves into the medium. On the other hand, because of its high reactivity with many media, titanium can only be subjected to a high degree of mechanical processing at elevated temperatures and / or elevated pressure. Therefore, a shaping by means of selective laser melting is particularly preferred.
Das Vibrationsentkopplungselement ist direkt in eine im Behältnis eingebrachte Öffnung, insbesondere ohne Verbindung durch einen Sensorstutzen, einsetzbar. Hierfür ist das Vibrationsentkopplungselement entsprechend geometrisch ausgestaltet. Es sind dabei verschiedenste Geometrievarianten vorstellbar. Insbesondere weist das Verbindungsentkopplungselement zusammen mit der Außenwandung des Behältnisses eine geschlossene Außenkontur auf.The vibration decoupling element can be inserted directly into an opening made in the container, in particular without connection through a sensor nozzle. For this purpose, the vibration decoupling element is configured correspondingly geometrically. There are a variety of geometry variants conceivable. In particular, the connection decoupling element has a closed outer contour together with the outer wall of the container.
Das Vibrationsentkopplungselement kann einen integral ausgebildeten Kanal zur Führung eines Strom- und/oder Signalkabels aufweisen, welcher Kanal insbesondere durch ein nachfolgend beschriebenes Strukturelement verlaufen kann. Dadurch wird das Strom- und/oder Signalkabel durchgängig über den gesamten Verlauf des Vibrationsentkopplungselements vor Schädigung geschützt. Der Kanal bietet insbesondere einen Schutz vor Mediumskontakt sowie mechanischer Schädigung und verhindert Kontaktierungsprobleme. Ein Strukturelement mit einem derartigen Kanal kann beispielsweise durch das nachfolgend beschriebene selektive Laserschmelzen realisiert werden und kann beim sequentiellen Aufbau des Vibrationsentkopplungselements in sehr filigraner Form und/oder in das oder die Vibrationsentkopplungselemente integriert mit aufgebaut werdenThe vibration decoupling element can have an integrally formed channel for guiding a power and / or signal cable, which channel can run in particular through a subsequently described structural element. As a result, the power and / or signal cable is continuously protected over the entire course of the vibration decoupling element from damage. In particular, the channel offers protection against medium contact and mechanical damage and prevents contacting problems. A structural element with such a channel can be realized, for example, by the selective laser melting described below, and can be constructed in a very filigree shape and / or in the vibration decoupling element (s) during the sequential construction of the vibration decoupling element
Das Vibrationsentkopplungselement weist vorteilhaft die zweite Schnittstelle zur Halterung eines Ultraschallwandlers auf und den Grundkörper zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements an dem am Behältnis angeordneten Sensorstutzen oder dem Behältnis, wobei zwischen der besagten zweiten Schnittstelle und dem Grundkörper ein vibrationsentkoppelndes Strukturelement angeordnet ist.The vibration decoupling element advantageously has the second interface for holding an ultrasound transducer and the base body for fixing the vibration decoupling element to the sensor nozzle or container arranged on the container, a vibration-decoupling structural element being arranged between said second interface and the base body.
Das besagte Strukturelement ist als Festkörper ausgebildet. Dieser Festkörper weist jeweils eine oder mehrere Schnittstellen mit anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements auf. Die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) ist insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers. Das vorgenannte Strukturelement weist vorzugsweise eine weitestgehend kugel-, ellipsoid- torus- oder vielflächig polyederförmige Gestalt auf, da sich diese geometrischen Formen besonders günstig zur Schallentkopplung erwiesen haben. Der Grund hierfür liegt darin begründet dass der Schall in diesen Geometrien relativ gleichmäßig in alle Richtungen verteilt und gestreut wird, wodurch eine besonders hohe Schalldissipationsrate erzielt werden kann. Zudem weist eine Kugel lediglich eine einzige Resonanzfrequenz in alle Richtungen auf.The said structural element is designed as a solid. This solid body has in each case one or more interfaces with other elements of the vibration decoupling element. The thickness of the material at the interface (s) is in particular more than twice smaller than the thickness of the solid. The aforementioned structural element preferably has a largely spherical, ellipsoidal-torus or multi-surface polyhedral shape, since these geometric shapes have proved particularly favorable for sound decoupling. The reason for this is that the sound is distributed and scattered relatively uniformly in all directions in these geometries, whereby a particularly high Schalldissipationsrate can be achieved. In addition, a ball has only a single resonant frequency in all directions.
Um Umgehungslösungen von Strukturelementen vorzubeugen, welche in kleinen Teilbereichen der Oberflächen abgeplattete Bereiche aufweisten, weist das Strukturelement eine weitestgehend kugel-, ellipsoid-, torus- oder vielflächig polyederförmige Gestalt auf. Unter einer solchen Gestalt versteht man im Sinne der vorliegenden Erfindung einen Körper auf, dessen Oberfläche um bis zu 50% des maximalen Durchmessers des jeweiligen Strukturelements von der idealen Kontur im Sinne einer Profilformtoleranz einer Fläche nach
Die offene Struktur kann insbesondere Verbindungselemente aufweisen, welche die Aufnahme mit dem Grundkörper verbinden. Es ist von Vorteil, wenn zumindest ein Verbindungselement zwischen dem Strukturelement und anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements als stabförmiges Verbindungselement ausgebildet ist, so dass dieser Stab bzw. diese Strebe bei Körperschallschwingungen gestaucht, gestreckt, gebogen oder tordiert werden und dadurch einen zusätzlichen Beitrag zur Vibrationsentkopplung leisten. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann das stabförmige Verbindungselement als Hohlstrebe ausgebildet sein.The open structure may in particular have connecting elements which connect the receptacle to the main body. It is an advantage if at least one connecting element between the structural element and other elements of the vibration decoupling element is designed as a rod-shaped connecting element, so that this rod or this strut be compressed, stretched, bent or twisted in structure-borne sound vibrations and thereby make an additional contribution to the vibration decoupling. In a preferred embodiment variant, the rod-shaped connecting element may be formed as a hollow strut.
Alternativ kann das Verbindungselement auch als Membran ausgebildet sein.Alternatively, the connecting element can also be designed as a membrane.
Die Länge der stabförmigen Verbindungselemente kann vorzugsweise größer oder gleich lambda/8 sein, vorzugsweise größer oder gleich lambda/4, des Ultraschallsignals, um so eine besonders effektive Vibrationsentkopplung zu erreichen Lambda ist dabei die Wellenlänge des Ultraschalls im Medium.The length of the rod-shaped connecting elements may preferably be greater than or equal to λ / 8, preferably greater than or equal to λ / 4, of the ultrasonic signal, so as to achieve a particularly effective vibration decoupling Lambda is the wavelength of the ultrasound in the medium.
Es ist von zudem Vorteil, wenn der Hohlraum welcher durch die Membran begrenzt wird und Freiräume zwischen den Verbindungselementen der offenen Struktur mit einem vibrationsdämpfenden Material gefüllt sind. Dadurch wird eine höhere Druckstabilität erreicht. Das Material kann insbesondere ein pulverförmiges Material sein, da ein Pulver gegenüber einem Massivbauteil einerseits gute schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzt und andererseits für eine gute Druckstabilität sorgt. Vibrationsdämpfend ist dabei jedes Material in welchem der Körperschall stärker bedämpft wird als in dem Wandmaterials bzw. dem Massivmaterial des Vibrationsentkopplungselements. Das vibrationsdämpfende Material kann z.B. aus einem chemisch-identischen Material bestehen wie das über Laserschmelzen hergestellte Wandmaterial, wobei das vibrationsdämpfende Material jedoch in Pulverform vorliegt.It is also advantageous if the cavity which is bounded by the membrane and free spaces between the connecting elements of the open structure are filled with a vibration-damping material. As a result, a higher pressure stability is achieved. In particular, the material may be a powdery material, since a powder has, on the one hand, good vibration-damping properties compared to a solid component and, on the other hand, ensures good pressure stability. Vibration-damping is any material in which the structure-borne sound is attenuated stronger than in the wall material or the solid material of the vibration decoupling element. The vibration damping material may e.g. consist of a chemically-identical material as the material produced by laser melting wall material, wherein the vibration-damping material is present in powder form.
Die Befüllung mit vibrationsdämpfenden Material ist jedoch nur eine bevorzugte Ausführungsvariante. Der Hohlraum kann z.B. auch leer, also nur mit Luft unter Normaldruck gefüllt sein.However, the filling with vibration damping material is only a preferred embodiment. The cavity may e.g. also empty, so only be filled with air under normal pressure.
Die Membran, welche die offene Struktur gegen Verschmutzungen schützt, kann ebenfalls aus einer vibrationsentkoppelnden Struktur, so z.B. einer Vielzahl miteinander zu einer Membran verbundenen Kugeln sein. Alternativ kann die Membran auch als eine Blende ausgebildet sein, die lediglich mit dem Messrohr verbunden ist, jedoch keine Kontaktfläche mit dem Vibrationsentkopplungselement aufweist. Die Membran kann insbesondere zwischen der Schnittstelle des Vibrationsentkopplungselements mit dem Messrohr und der zweiten Schnittstelle für den Ultraschallwandler angeordnet sein.The membrane which protects the open structure against soiling may also be made of a vibration decoupling structure, e.g. be a plurality of mutually connected to a membrane balls. Alternatively, the membrane may also be formed as a diaphragm, which is connected only to the measuring tube, but has no contact surface with the vibration decoupling element. The membrane may in particular be arranged between the interface of the vibration decoupling element with the measuring tube and the second interface for the ultrasonic transducer.
Eine bevorzugte Dicke für die vorgenannte Membran liegt zwischen 0,2 bis 0,7 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 mm. Dies ist ein guter Kompromiss um möglichst wenig Körperschall zu übertragen und andererseits damit die Membran auch hinreichend robust gegenüber dem Messmedium und Prozessdruck ausgestaltet ist. Insbesondere Gase mit mitgerissenen Partikeln können bei geringeren Membrandicken die Membran schädigen.A preferred thickness for the aforementioned membrane is between 0.2 to 0.7 mm, more preferably between 0.4 and 0.6 mm. This is a good compromise to transmit as little as possible structure-borne noise and on the other hand so that the membrane is also designed sufficiently robust against the measuring medium and process pressure. In particular, gases with entrained particles can damage the membrane at lower membrane thicknesses.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine wabenförmige Stützstruktur genutzt werden, welche im Hohlraum angeordnet ist. Derartige Strukturen werden im Leichtbau z.B. im Möbelbau oder im Flugzeugmodellbau genutzt um eine mechanische Festigkeit zu erzielen. Die Waben können kanalartig ausgeformt und endständig offen sein. Die Waben können in einer besonders vorteilhaften Variante auch mit pulverförmigen Material gefüllt sein.Alternatively or additionally, a honeycomb-shaped support structure can be used, which is arranged in the cavity. Such structures are used in lightweight construction e.g. used in furniture making or aircraft model making to achieve a mechanical strength. The honeycombs can be channel-shaped and open at the end. The honeycombs can also be filled with pulverulent material in a particularly advantageous variant.
Das Vibrationsentkopplungselement kann durch selektives Laserschmelzen (SLS) hergestellt werden. Weniger bevorzugte Alternativen sind insbesondere Gussverfahren, welche zeit- und kostenintensiv sind. Durch das Verfahren des selektiven Laserschmelzens lassen sich insbesondere auch Vibrationsentkopplungselemente mit komplexen geometrischen Strukturelementen für eine besonders gute Vibrationsentkopplung oder Vibrationsdämpfung in effizienter Weise herstellen.The vibration decoupling element can be manufactured by selective laser melting (SLS). Less preferred alternatives are in particular casting processes, which are time-consuming and expensive. By means of the selective laser melting method, in particular vibration decoupling elements with complex geometric structural elements can also be produced in an efficient manner for particularly good vibration decoupling or vibration damping.
Nach ihrer Herstellung weisen mittels selektivem Laserschmelzen hergestellte Bauteile oftmals eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf, die vom sequentiellen Schichtaufbau herrührt. Dies lässt sich sowohl durch ein mattes Aussehen als auch durch spürbare Unebenheiten beim Drüberfahren mit dem Fingernagel erkennen. Demgegenüber verfügen Drehteile i.d.R. über eine glatte Oberfläche, d.h. die Oberfläche glänzt, und mit dem Fingernagel sind keine Unebenheiten zu spüren. Beim selektiven Laserschmelzen (SLS) beträgt die minimale Schichtdicke von zwei aufeinander folgenden Pulverschichten minimal ca. 20 µm. Daraus folgt, dass Strukturen, die in vertikaler Richtung verlaufen, sich ebenfalls nur in dieser Dimension auflösen lassen, d.h. die effektive Rauheit bewegt sich in dieser Größenordnung. Daraus folgt auch, dass die Oberflächengüte von SLS-Bauteilen nur ca. "halb so glatt" ist wie die von typischen Drehteilen. Die mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra entlang einer Richtung auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen durch selektives Laserschmelzen hergestellten Vibrationsentkopplungselements beträgt typischerweise mehr als Ra = 3,2 µm. Die Oberflächenrauhigkeit kann mittels eines Rauheitsmessers, z.B. dem PCE-RT 1200, ermittelt werden. Eine solche Oberfläche erscheint beim Darüberfahren mit dem Fingernagel als leicht uneben und wirkt auch optisch leicht uneben. Die durch Laserschmelzen hergestellte Oberfläche glänzt somit nicht, sondern ist "stumpf"..After their production, components produced by means of selective laser melting often have a certain surface roughness resulting from the sequential layer structure. This can be recognized by a dull appearance as well as noticeable bumps when running over it with your fingernail. On the other hand, as a rule, turned parts have a smooth surface, ie the surface shines, and no bumps are felt with the fingernail. In selective laser melting (SLS), the minimum layer thickness of two successive powder layers is a minimum of approximately 20 μm. It follows that structures that run in the vertical direction can also be resolved only in this dimension, ie the effective roughness is on this scale. It also follows that the surface quality of SLS components is only about "half as smooth" as that of typical turned parts. The average surface roughness Ra along a direction on the surface of the vibration-decoupling element of the present invention made by selective laser melting is typically more than Ra = 3.2 μm. The surface roughness can be determined by means of a roughness meter, eg the PCE-RT 1200. Such a surface appears slightly uneven when passing over with the fingernail and also looks slightly uneven visually. By Laser-melted surface thus does not shine, but is "dull" ..
Die durch Laserschmelzen hergestellte Oberfläche kann nachbearbeitet, insbesondere geglättet werden. Allerdings kann man je nach Art der Nachbearbeitung an besonders filigranen oder komplexen Stellen des Vibrationsentkopplungselements nach wie vor rauhe Bereiche erkennen.The surface produced by laser melting can be post-processed, in particular smoothed. However, depending on the type of post-processing, it is still possible to detect rough areas on particularly delicate or complex parts of the vibration decoupling element.
Lediglich durch Gussverfahren, insbesondere durch zeit- und kostenintensive Feinguss- oder Kreativgussverfahren, können einzelne der nachfolgend beschriebenen und in den Figuren dargestellten Vibrationsentkopplungselemente hergestellt werden. Allerdings unterliegen Gießverfahren auch gewissen Grenzen. So sind durch selektives Laserschmelzen dünnwandigere Membranen realisierbar als bei Gießverfahren.Only by casting methods, in particular by time-consuming and cost-intensive precision casting or creative casting method, individual of the vibration decoupling elements described below and shown in the figures can be produced. However, casting processes are also subject to certain limits. For example, thin-walled membranes can be realized by selective laser melting than in casting processes.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät weist ein Messrohr und zumindest zwei am Messrohr angeordneten Anordnungen gemäß Anspruch 1 auf.An inventive ultrasonic flowmeter has a measuring tube and at least two arranged on the measuring tube arrangements according to
Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät kann insbesondere nach dem bekannten Prinzip der Laufzeitdifferenzmethode betrieben werden. Da Ultraschallwandler sowohl im Sendemodus als auch im Empfangsmodus betrieben werden können, kann ein einzelner Ultraschall-Transducer, also auch die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Ultraschallwandler, sowohl dem Aussenden als auch dem Empfangen von Ultraschallnutzsignalen dienen. Insbesondere kann das Durchflussmessgerät zwei erfindungsgemäße Anordnungen aufweisen, von denen sich während eines sogenannten Ultraschall-Schusses eine Anordnung im Sendebetrieb und eine Anordnung im Empfangsbetrieb befindet. Diese Ultraschallnutzsignale sind Messsignale, welche abhängig sind von einer Prozessgröße, wie z.B. dem Durchfluss oder dem Füllstand.The ultrasonic flowmeter according to the invention can be operated in particular according to the known principle of the transit time difference method. Since ultrasonic transducers can be operated both in the transmission mode and in the reception mode, a single ultrasound transducer, ie also the arrangement according to the invention with the ultrasound transducer, can serve both for transmitting and receiving ultrasound useful signals. In particular, the flowmeter may have two arrangements according to the invention, of which there is an arrangement in the transmission mode and an arrangement in the reception mode during a so-called ultrasonic shot. These ultrasonic utility signals are measurement signals that are dependent on a process quantity, such as a process variable. the flow or the level.
Besonders bevorzugt wird das Vibrationsentkopplungselement in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät eingesetzt, welches einen Durchfluss von Gasen ermittelt. Die Arbeitsfrequenz dieser Geräte liegt bei mehr als 80 kHz, insbesondere zwischen 90 und 210 kHz, wobei die Höhe der verwendeten Arbeitsfrequenz von der Nennweite des Messrohres und dem Messmedium abhängt. Der Arbeitsfrequenzbereich eines Durchflussmessgerätes kann somit breit gewählt werden und vorzugsweise zwischen 20 kHz bis 500 kHz, insbesondere zwischen 40 bis 300 kHz, betragen.Particularly preferably, the vibration decoupling element is used in an ultrasonic flowmeter, which determines a flow of gases. The operating frequency of these devices is more than 80 kHz, in particular between 90 and 210 kHz, the height of the operating frequency used depends on the nominal diameter of the measuring tube and the measuring medium. The working frequency range of a flowmeter can thus be chosen broadly and preferably between 20 kHz to 500 kHz, in particular between 40 to 300 kHz amount.
Das Ultraschall-Durchflussmessgerät ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Feldgerät der Prozessmesstechnik.In the context of the present invention, the ultrasonic flowmeter is preferably a field device of process measurement technology.
Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten näher erläutert.Below further advantageous embodiments are explained in more detail.
Wie zuvor beschrieben, kann das Vibrationsentkopplungselement ein spezielles Strukturelement enthalten, welches aufgrund seiner geometrischen Ausgestaltung eine starke Bedämpfung des Körperschalls bewirkt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind zwei oder mehr dieser Strukturelemente miteinander verbunden. Aufgrund der geometrischen Abmessungen des Strukturelements und der geringen Schnittstellenfläche kann eine zusätzliche Vibrationsdämpfung erreicht werden. Die Einkopplungsfläche ist im Fall der Verwendung in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzugsweise gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements angestellt bzw. gekippt. Die Längsachse des Vibrationsentkopplungselements kann vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Messrohres verlaufen. Die Einkopplungsfläche ist vorzugsweise im Winkel zwischen 20 bis 70° zu dieser Längsachse angestellt.As described above, the vibration decoupling element may contain a special structural element, which causes due to its geometric configuration, a strong damping of structure-borne sound. In a particularly preferred embodiment, two or more of these structural elements are interconnected. Due to the geometric dimensions of the structural element and the small interface area, additional vibration damping can be achieved. In the case of use in an ultrasonic flowmeter, the coupling-in surface is preferably set or tilted with respect to the longitudinal axis of the vibration-decoupling element. The longitudinal axis of the vibration decoupling element may preferably run perpendicular to the longitudinal axis of the measuring tube. The coupling-in surface is preferably set at an angle between 20 and 70 ° to this longitudinal axis.
Die Neigung der Einkopplungsfläche kann über eine Kippung des Ultraschallwandlers gegenüber dem/der vibrationsentkoppelnden Strukturelement/e erreicht werden. Bei einer gewölbten Platte als Grundkörper können auch die Strukturelemente bereits mit dem entsprechenden Neigungswinkel an dem Grundkörper vorgesehen sein. Eine Kippung ist in diesem Fall nicht notwendig.The inclination of the coupling-in surface can be achieved by tilting the ultrasonic transducer relative to the vibration-decoupling structural element (s). In the case of a curved plate as base body, the structural elements can also be provided with the corresponding angle of inclination to the basic body. Tilting is not necessary in this case.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Tank zur Bestimmung der Füllstandshöhe ist eine Kippung nicht notwendig.When using the arrangement according to the invention in a tank for determining the filling level, tilting is not necessary.
Die maximalen Auslenkungen der Einkopplungsfläche des Ultraschallwandlers im Sendebetrieb betragen etwa 200 bis 800 nm bei 100 V Sendespannung und 20 bis 80 nm bei 10 V Sendespannung. Die über die ganze Abstrahlfläche gemittelte Auslenkung beträgt ca. 100 bis 300 nm bei 100 V bzw. 10 bis 30 nm bei 10 V. Dies gilt für den üblichen Ultraschall-Arbeitsfrequenzbereich. Die Auslenkungen im Empfangsbetrieb bzw. sofern sich der Ultraschallwandler im Empfangsmodus befindet sind einige Größenordnungen kleiner. Die Auslenkungen der Körperschallwellen bei einer Anordnung ohne Vibrationsentkopplungselement sind allgemein auch deutlich kleiner als die Auslenkungen der jeweiligen Einkopplungsfläche. Aufgrund unterschiedlicher Faktoren sind die Auslenkungen der Körperschallwellen jedoch schwer quantifizierbar. Allgemein erfolgt durch das Vibrationsentkopplungselement eine Abschwächung bzw. Dämpfung des Körperschalls gegenüber den Randbereichen der Einkopplungsflächen des Ultraschallwandlers zumindest um das 20-fache. In den weit überwiegenden Fällen wird sogar eine Körperschallbedämpfung um mehr als das 100-fache erreicht.The maximum deflections of the coupling surface of the ultrasonic transducer in the transmission mode are about 200 to 800 nm at 100 V transmission voltage and 20 to 80 nm at 10 V transmission voltage. The deflection averaged over the entire emitting surface is approximately 100 to 300 nm at 100 V or 10 to 30 nm at 10 V. This applies to the usual ultrasonic working frequency range. The deflections in the receive mode or if the ultrasonic transducer is in the receive mode are a few orders of magnitude smaller. The deflections of the structure-borne sound waves in an arrangement without vibration decoupling element are generally also significantly smaller than the deflections of the respective coupling surface. Due to different factors, the deflections of the structure-borne sound waves are difficult to quantify. In general, the vibration decoupling element attenuates or dampens the structure-borne sound relative to the edge regions of the coupling surfaces of the ultrasound transducer by at least 20 times. In the vast majority of cases even a structure-borne sound attenuation is achieved by more than 100 times.
Zusammengefasst weist das erfindungsgemäße Vibrationsentkopplungselement oder dessen bevorzugte Ausführungsvarianten eine Reihe von Vorteilen auf. Einerseits gelingt die Herstellung einer Ultraschallwandler-Befestigung am Messrohr, welche die axialen und radialen Schwingungen des ins Medium einkoppelnden Schwingelements bzw. Ultraschallwandlers stark dämpft, sodass sie nicht als Körperschall störend im Empfangssignal in Erscheinung treten können. In summary, the vibration decoupling element or its preferred embodiments according to the invention has a number of advantages. On the one hand manages the production of an ultrasonic transducer attachment to the measuring tube, which greatly dampens the axial and radial vibrations of the oscillating element or ultrasonic transducer einkoppelnden in the medium so that they can not interfere with structure as a sound in the received signal in appearance.
Darüber hinaus kann die Anzahl der Bauteile für ein Vibrationsentkopplungselement auf ein Minimum, im besten Fall nur ein Bauteil reduziert werden.In addition, the number of components for a vibration decoupling element to a minimum, in the best case, only one component can be reduced.
Zwar lässt sich das Bauteil auf unterschiedliche Weise realisieren, allerdings gelingt die Herstellung der vorbeschriebenen Ultraschallwandler-Befestigung am Messrohr mittels selektivem Laserschmelzen besonders gut, wobei dessen Werkstoffeigenschaften optimal an die jeweilige Anwendung angepasst sind, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit.Although the component can be realized in different ways, but the production of the above-described ultrasonic transducer attachment to the measuring tube by means of selective laser melting is particularly well, the material properties are optimally adapted to the particular application, in particular corrosion resistance.
Es lassen sich Vibrationsentkopplungselemente in vergleichsweise kurzer Zeit realisieren mit geometrischen Teilelementen, welche in die Gesamtstruktur des Vibrationsentkopplungselements integriert sind und welche einzeln für sich genommen eine Dämpfung des Körperschalls bzw. eine Vibrationsentkopplung zwischen Ultraschallwandler und Messrohr bewirken und welche zur Verbesserung dieser Entkopplung auch miteinander kombinierbar sind.Vibrational decoupling elements can be realized in a comparatively short time with geometrical subelements, which are integrated into the overall structure of the vibration decoupling element and which individually individually cause damping of structure-borne noise or vibration decoupling between ultrasound transducer and measuring tube and which can also be combined to improve this decoupling ,
Das Vibrationsentkopplungselement kann sowohl dichtungslos als auch mit Dichtung an einem Sensorstutzen oder direkt am Messrohr befestigt werden.The vibration decoupling element can be attached to a sensor nozzle or directly to the measuring tube either without a seal or with a seal.
Schließlich lässt sich die vorgenannt beschriebene vibrationsentkoppelnde Befestigung für Ultraschallwandler aller Art an beliebige Rohrformen (Rohre mit runden oder rechteckigem Querschnitt, Dreiecksquerschnitt, usw.) anpassen.Finally, the previously described vibration-decoupling attachment for ultrasound transducers of all kinds can be adapted to any desired tube shapes (tubes with a round or rectangular cross section, triangular cross section, etc.).
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in detail below with reference to some embodiments. It shows:
In
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen. Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die mittlere Fließgeschwindigkeit entlang des Ultraschallpfades und damit bei bekanntem Strömungszustand und bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline. The known ultrasonic flowmeters often work according to the transit time difference principle. In the transit time difference principle, the different transit times of ultrasonic waves, in particular ultrasonic pulses, so-called bursts, are evaluated relative to the flow direction of the liquid. For this purpose, ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow. From the transit time difference, the mean flow velocity along the Ultrasonic path and thus determine at known flow condition and known diameter of the pipe section of the volume flow.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler
Die Ultraschallwandler
Aus Gründen der Druckstabilität besteht das Messrohr
Nachfolgend werden verschiedene Aufbauten für Vibrationsentkopplungselemente vorgestellt. Aus den Figuren wird klar, dass diese Geometrien nicht ohne Weiteres in der industriellen Fertigung als Massenprodukt fertigbar sind. Zum einen muss jedes einzelne Element gesondert auf die bestimmte Form vorgefertigt werden. Zum anderen müssen die vorgefertigten Teile durch aufwendige Schweiß- oder Lötverfahren miteinander verbunden werden. Entsprechende Fertigungstoleranzen von Einzelstück zu Einzelstück sorgen dafür, dass die Produktionskosten kaum oder nicht mehr mit einem vertretbaren Verkaufspreis vereinbar sind.In the following, various structures for vibration decoupling elements are presented. From the figures it is clear that these geometries are not readily manufacturable in mass production in industrial production. On the one hand, each individual element must be prefabricated separately to the specific shape. On the other hand, the prefabricated parts must be connected by elaborate welding or soldering. Corresponding manufacturing tolerances from single piece to single piece ensure that the production costs are hardly or no longer compatible with a reasonable sales price.
In neuerer Zeit ist jedoch die Methode des selektiven Laserschmelzens entwickelt worden. Diese Methode kann zur Herstellung von Vibrationsentkopplungskörpern mit den in den Figuren und den nachfolgend beschriebene geometrische Abmessungen genutzt werden. Selektives Laserschmelzen (engl. selective laser melting) ist dem Fachmann als Herstellungsmethode bekannt. Diese Methode wird nunmehr erfindungsgemäß eingesetzt um Vibrationsentkopplungskörper mit komplexen Geometrieelementen herzustellen. Körper, welche durch Laserschmelzen realisiert wurden, weisen aufgrund der schichtweisen Fertigung eine höhere Oberflächenrauhigkeit auf als herkömmliche gegossene oder geschmiedete Teile. Zwar kann diese Oberflächenrauhigkeit durch Nachverarbeitungsverfahren (Schleifen und Polieren) gemindert werden, trotzdem wird aufgrund des geringen Raumbedarfes innerhalb des Vibrationsentkopplungskörpers eine entsprechend erhöhte Oberflächenrauhigkeit, typischerweise größer Ra = 3,2 µm, an einzelnen Geometrieelementen auszufinden sein. Die Oberflächenrauhigkeit kann mittels des Messgerätes PCE RT-10 bestimmt werden.Recently, however, the method of selective laser melting has been developed. This method can be used for the production of vibration decoupling bodies having the geometric dimensions described in the figures and below. Selective laser melting is known to those skilled in the art as a method of production. This method is now used according to the invention to produce vibration decoupling body with complex geometric elements. Bodies produced by laser melting have higher surface roughness than conventional cast or forged parts because of layered fabrication. Although this surface roughness can be reduced by post-processing methods (grinding and polishing), due to the small space requirement within the vibration decoupling body, a correspondingly increased surface roughness, typically greater than Ra = 3.2 μm, can be found on individual geometric elements. The surface roughness can be determined by means of the measuring device PCE RT-10.
Durch das selektive Laserschmelzen kann zudem ein Halteelement
In
Das Halteelement
Das Vibrationsentkopplungselement
Das Vibrationsentkopplungselement ist vorzugsweise monolithisch aufgebaut. Zudem ist eine Aufnahme
Die Strukturelemente
Die flanschartige Ausformung kann zudem eine Dichtung aufweisen, welche an dem Vibrationsentkopplungselement
Die in
Das Halteelement
Die Strukturelemente
Im konkreten Fall der
Die Strukturelemente
Um einer Verschmutzung vorzubeugen kann die offene Struktur mit einer Blende, einem dünnen Prallblech oder mit einem dünnen Mantelblech umgeben sein, welches z.B. zylindrisch oder konisch ausgebildet ist. Es kann beispielsweise am Grundkörper
Auch dieses Vibrationsentkopplungselement
Sofern die in
Die Schwingkörper
Die Schwingkörper
Die Ultraschallwandler in
Im Fall eines Ultraschallmessrohrs mit schräg angeschweißten Sensorstutzen oder einer Füllstandsmessung ist ein solcher Winkel nicht erforderlich. Daher ist der Ultraschallwandler nicht gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements gekippt. Diese Variante ist in
Die offenen Strukturen der
Die offene Struktur
Sofern die offene Struktur von einer Hohlmembran umgeben ist können die Zwischenräume der offenen Struktur mit einem anderen Material gefüllt sein. Dieses Material kann schalldämpfendes Vergussmaterial sein oder ganz besonders bevorzugt ein Metallpulver bzw. Metallstaub. Auch wenn die offene Struktur bei dieser Variante gefüllt ist, so ist sie trotzdem definitionsgemäß als offene Struktur zu verstehen. Ein einziger Freiraum in Form eines Hohlraumes, welcher von Struktur- und Verbindungselementen voll umschlossen wird, ist nicht als offene Struktur zu verstehen.If the open structure is surrounded by a hollow membrane, the interstices of the open structure may be filled with another material. This material may be sound-damping potting material or most preferably a metal powder or metal dust. Even though the open structure in this variant is filled, it is still to be understood as an open structure by definition. A single space in the form of a cavity, which is fully enclosed by structural and connecting elements, is not to be understood as an open structure.
Obwohl die Membran
In der Weiterentwicklung gemäß
Wie schon zuvor erwähnt, haben sich Kugeln, Ellipsoide, Tori und/oder vielflächige Polyeder als besonders geeignet zur Schallentkopplung erwiesen. In
Die Vibrationsentkopplungselemente der
Die Abmessungen der in
In den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 51, 62, 721, 51, 62, 72
- Ultraschallwandler ultrasound transducer
- 2, 592, 59
- Messrohr measuring tube
- 49, 68, 7749, 68, 77
- Anordnung arrangement
- 5353
- Piezoelement piezo element
- 5252
- Halteelement retaining element
- 50, 60, 7050, 60, 70
- Vibrationsentkopplungselement Vibration decoupling element
- 5555
- Strukturelement structural element
- 54, 61, 7154, 61, 71
- Aufnahme admission
- 56, 63, 7356, 63, 73
- plattenförmiger Grundkörper plate-shaped body
- 5858
- Sensorstutzen sensor nozzle
- 67, 7867, 78
- Kanal channel
- 5757
- Dichtung poetry
- 64, 7464, 74
- offene Struktur open structure
- 6565
- zentrales stabförmiges Verbindungselement central rod-shaped connecting element
- 66, 7666, 76
- stabförmige Verbindungselemente rod-shaped connecting elements
- 7575
- Schwingkörper oscillating body
- 7979
- becherartiges Halteelement cup-like holding element
- 8080
- Membran membrane
- 81, 8281, 82
- Druckausgleich- oder Füllkanal Pressure equalization or filling channel
- 8383
- Aussparungen recesses
- 84, 8584, 85
- Kugelring ball ring
- 8686
- Kugelmembran spherical membrane
- αα
- Winkel angle
- TT
- Senkrechte bzw. Längsachse Vertical or longitudinal axis
- AA
- Messrohrachse Measuring tube axis
- SS
- Ringstärke ring thickness
- DD
- Durchmesser diameter
- UU
- Ultraschall-Nutzsignal Ultrasonic useful signal
- MM
- Messmedium measuring medium
- Ee
- Einkopplungsfläche coupling surface
- NN
- Normalenvektor normal vector
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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