DE102016015129A1

DE102016015129A1 - Verfahren zum Betrieb einer Schallmessanordnung sowie Schallmessanordnung

Info

Publication number: DE102016015129A1
Application number: DE102016015129.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Seifert; Michael Mayle
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2016-12-17
Filing date: 2016-12-17
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schallmessanordnung, vorzugsweise Ultraschallmessanordnung zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluides, wobei die Schallmessanordnung (1) mit einem zylindrischen Messrohr (4) mit einer Innenwand (4a) sowie Außenwand (4b), einem im Inneren des Messrohrs (4) angeordneten Messkanal (5), der von dem Fluid durchströmbar ist, einer ringförmigen Schallwandleranordnung (6 bzw. 7), die als Sender von Schallsignalen dient, einer ringförmigen Schallwandleranordnung (7 bzw. 6), die als Empfänger von Schallsignalen dient, wobei die ringförmigen Schallwandleranordnung (6 bzw. 7) jeweils außenseitig am Messrohr (4) umlaufend angeordnet ist, wobei von der Schallwandleranordnung (6, 7) erzeugte Schallsignale jeweils das Fluid durchsetzen und die richtungsabhängigen Laufzeitunterschiede der Schallsignale der Bestimmung der Durchflussmenge dienen, wobei ein ringförmiges Schallsignal erzeugbar ist, wobei das ringförmige Ultraschallsignal eine geführte rotationssymmetrische Welle (15a) in das Messrohr (4) einkoppelt, und wobei die geführte rotationssymmetrische Welle (15a) des Messrohrs (4) in das Fluid im Messkanal (5) einkoppelt, wobei durch die Wellenenergie der geführten rotationssymmetrischen Welle (15a) bedingt in dem im Messrohr (4) befindlichen Fluid eine Volumenkompressions-Welle (16) erzeugbar ist, die von der Innenwand (4a) des Messrohrs (4) aus in einem schrägen Winkel zur Senkrechten bezogen auf die Oberfläche der Innenwand (4a) des Messrohrs (4) in den Messkanal (3) orientiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schallmessanordnung, vorzugsweise Ultraschallmessanordnung, insbesondere zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluids und/oder zur Bestimmung von Fluideigenschaften sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung.
Technologischer Hintergrund
Die vorliegende Idee basiert auf der Erfassung von Schalllaufzeiten in einem Fluid, welches einen Messkanal durchströmt. Hierbei wird üblicherweise lediglich ein Teilbereich des durch den Messkanal strömenden Fluidquerschnitts erfasst. Dies führt dazu, dass bedingt durch eine häufig inhomogene Strömung über dem Querschnitt die gemessenen Laufzeiten von den tatsächlichen Durchflussgegebenheiten abweichen und daher eine Anpassung über Korrekturmaßnahmen bzw. Kalibrierfaktoren vorgenommen werden muss. Aber auch mit einer Kalibrierung können nicht alle tatsächlichen Strömungsgegebenheiten abgedeckt werden. Letztere können vor allem auch in Abhängigkeit der tatsächlichen Installationsgegebenheiten variieren. Beispielsweise können sich erhebliche Beeinträchtigungen des Strömungsprofils durch den Verlauf oder die Art von stromaufwärts liegenden Installationen ergeben. Diese können beispielsweise durch eine dort vorliegende Vielzahl von Biegungen der Fluidleitung begründet sein. Auch kann das Strömungsprofil durch einen stromaufwärts positionierten weiteren Durchflusszähler oder durch ein teilweise geöffnetes Ventil usw. beeinträchtigt sein. Derartigen Einflüssen können die bisherigen Messverfahren nur begrenzt Rechnung tragen. Vor diesem Hintergrund besteht ein zunehmendes Bedürfnis, die Verbrauchsmengen von Fluid, insbesondere von Wasser, möglichst genau zu bestimmen, um den Verbraucher nicht ungebührlich zu belasten.
Andererseits führen Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung, z.B. durch Strömungsleiteinrichtungen, in einem Durchflussmesser regelmäßig zu einer erheblichen Verkomplizierung der Konstruktion des Durchflussmessers und damit zu einer Kostensteigerung. Die beiden Anforderungen Erhöhung der Messgenauigkeit sowie Vereinfachung der Konstruktion laufen somit bisher auseinander.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2013 005 810 A1 bekannt. Diese bekannte Ultraschallmessanordnung besitzt ein schalldurchlässiges Messrohr. Ein an dessen Außenseite befindlicher, ringförmiger Ultraschallwandler durchschallt das Messrohr. Die zunächst in Längsrichtung des Messrohrs orientierte Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen einer ringförmigen Ultraschallsignalfront wird entweder durch einen im Messrohr befindlichen Schallleitkörper oder durch die Geometrie des Messrohrs selbst derart umgelenkt, dass die Hauptausbreitungsrichtung schräg zur Längsachse des Messrohrs in Letzteres hinein orientiert ist. Zwar wird durch die ringförmige Ultraschallfront der Durchflussquerschnitt des Messkanals flächig erfasst, allerdings bedingt die bekannte Lösung aufgrund der Maßnahmen zur Umlenkung einen erhöhten konstruktiven Aufwand. Ferner entstehen dadurch Problemzonen in Form von Strömungsinhomogenitäten. Letztere begründen eine reduzierte Messgenauigkeit.
Aus der WO 2008/034878 A2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften eines flüssigen oder zähen Mediums bekannt, bei der ein zwei sich gegenüberliegende, aus nicht piezoelektrischem Material bestehende Platten umfassender akustischer Wellenleiter vorgesehen ist. Die beiden Platten legen einen inneren Raum fest, der mit Flüssigkeit befüllbar ist. Auf der Außenseite der einen Platte ist ein piezoelektrischer Wandler als Sender und auf der Außenseite der anderen Platte ein piezoelektrischer Wandler als Empfänger angeordnet. Der Sender schwingt senkrecht zur Platte und bewirkt eine Lamb-Welle oder Rayleigh-Welle, die entlang der Inneren sowie äußeren Oberfläche der Platte entlang verläuft. Gleichzeitig wird eine Volumenschallwelle in dem Medium angeregt, die sich in einem spezifischen Winkel zur Vertikalen auf die Platte fortbewegt. Diese Volumenschallwelle induziert, sobald sie an der gegenüberliegenden Platte angekommen ist, einen Teil ihrer Energie in eine Lamb-Welle oder Rayleigh-Welle in der gegenüberliegenden Platte. Der restliche Anteil der Volumenschallwelle wird zur ersten Platte zurückreflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich entlang des zwischen den beiden Platten aufgespannten Raums einige Male.
Die DE 44 16 367 C1 beschreibt ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit zwei ringförmigen piezoelektrischen Wandlern, die ringförmige Piezoelemente aufweisen oder aus piezoelektrischen Abschnitten zusammengesetzt sind. Beide Wandler sind in Axialsymmetrie auf Abstand zueinander angeordnet, wobei der eine als Ultraschallsender und der andere als Ultraschallempfänger geschaltet ist, und wobei das Medium, dessen Durchflussrate gemessen werden soll, beide Wandler im Wesentlichen parallel zu der Achse, auf der die beiden Wandler angeordnet sind, durchströmt. Jeder Wandler schwingt in radialer Richtung und ist in eine Ausnehmung an der Innenwandung eines im Querschnitt kreisförmigen Rohrleitungsstücks eingebettet sowie zum Rohrleitungsstück akustisch entkoppelt. Hierzu ist jeder Wandler seitlich mit weichem Material z. B. Schaumstoff und an seiner äußeren Peripherie von einem Dämpfungsring umgeben.
Ferner ist aus der US 4 838 127 sowie aus der US 4 467 659 ein UltraschallDurchflussmesser bekannt, welcher zwei je in einem eigenen Gehäuse untergebrachte Ultraschallwandler umfasst, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander punktuell an einer Stelle der Außenwand einer Rohrleitung angebracht werden. Die Ultraschallwandler schwingen senkrecht zur Längsachse der Rohrleitung und erzeugen Ultraschallimpulse, die sog. Lamb-Wellen in einem Teil der Wandung der Rohrleitung erzeugen. Diese Lamb-Wellen produzieren longitudinale Wellen in dem in der Rohrleitung befindlichen Fluid, die keulenförmig in einem spezifischen Winkel je nach Messrichtung stromaufwärts oder stromabwärts verlaufen und auf der gegenüberliegenden Seite der Rohrwandung beim Auftreffen wiederum Lamb-Wellen in der Rohrleitung erzeugen, die vom zweiten Ultraschallwandler empfangen werden können. Derartige Durchflussmesser bedingen daher bei inhomogenen Strömungsverhältnissen lediglich eine mäßige Messgenauigkeit.
Aus dem Datenblatt der Christian Bürkert GmbH & Co. KG, „FLOWave SAW-Durchflussmesser“, 1609/4_DE-de_00897282, ist ein Durchflussmesser bekannt, bei dem auf planen Oberflächen eines Messrohrs insgesamt vier Interdigitalwandler angeordnet sind, wobei jeder als Sender und als Empfänger arbeitet. Zwei davon senden in Vorwärts-Durchflussrichtung, die anderen beiden senden entgegen der Durchflussrichtung. Von den Sendern wird ein miniaturisiertes Signal erzeugt, welches sich auf der Oberfläche des Messrohrs ausbreitet. Die Welle koppelt in die Flüssigkeit ein und breitet sich unter einem bestehenden Winkel zur anderen Seite des Messrohrs aus. Dort koppelt die Welle wiederum in das Messrohr ein und breitet sich an der Oberfläche bis zu dem gegenüberliegenden Empfänger aus. Dieser Vorgang wird vielfach wiederholt, wodurch eine Vielzahl von Empfangssignalen erzeugt wird. Auch dieser Ultraschalldurchflussmesser ist aufwendig in der Herstellung und besitzt lediglich eine mäßige Messgenauigkeit bei inhomogenen Strömungsverhältnissen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Ultraschallmessanordnung zur Verfügung zu stellen, die eine insbesondere bei inhomogenen Strömungen erhöhte Messgenauigkeit bei besonders einfachem Aufbau gewährleistet.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Ultraschallmessanordnung gemäß dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Anspruch 14 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Erfindungsgemäß ist das Messrohr bzw. die Ultraschallmessanordnung derart hergerichtet, dass das ringförmige Ultraschallsignal zumindest hauptsächlich bzw. zumindest im Wesentlichen eine geführte rotationssymmetrische Welle (rotationssymmetrische Oberflächenwelle) in das Messrohr einkoppelt. Dies wird dadurch erreicht, dass durch eine geeignete Wahl des Materials des Messrohrs bzw. dessen Materialeigenschaften, der Frequenz des Schallsignals sowie der Wandstärke des Messrohrs sich eine ringförmige geführte Welle ausbildet. Durch die ringförmige Schallwandleranordnung wird die ringförmige geführte Welle in das Messrohr eingekoppelt und bildet sich an der Außenwand sowie auch an der Innenwand des Messrohr aus. Im Gegensatz zu der DE 10 2013 005 810 A1 wird das Messrohr hierbei nicht im Wesentlichen lediglich durchschallt und das Schallsignal durch die Geometrie des Gehäuses abgelenkt. Die Erfindung bietet vielmehr den Vorteil, dass die Messrohrgeometrie besonders einfach gestaltet werden kann, da die Messrohrgeometrie den Schall nicht umlenkt. Des Weiteren entfallen Maßnahmen zur Umlenkung eines Ultraschallsignals durch im Messrohr befindliche Schallleitkörper. Die ringförmige geführte Welle des Messrohrs koppelt eine Volumenkompressionswelle in das Fluid ein, die von der Innenwand des Messrohrs ausgehend in einem schrägen Winkel entlang des Messkanals orientiert ist. Näherungsweise handelt es sich hierbei um eine kegelförmige Schallwelle, die in vorteilhafterweise den gesamten Querschnitt des Messkanals erfasst. Die Volumenkompressionswelle koppelt nach Durchlaufen des Messkanals, entweder direkt oder alternativ nach ein- oder mehrfacher Reflektion im Messrohr, im Bereich der weiteren ringförmigen Schallwandleranordnung wieder in das Messrohr ein und bewirkt dort wiederum eine ringförmige geführte Welle, die durch die dort befindliche, weitere Schallwandleranordnung erfasst werden kann. Die erfindungsgemäße Schallmessanordnung gewährleistet daher zum einen eine einfache Konstruktion, die ohne Ausbuchtungen, Stufen, Schallleitkörper, Schallumlenkspiegel usw., auskommt. Zum anderen wird eine Erfassung des Fluid über den gesamten Strömungsquerschnitt des Messrohrs ermöglicht und damit die Messgenauigkeit erheblich verbessert.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Innenwand des zylindrischen Messrohrs eben bzw. durchgehend glatt, d.h. mit einem gleich bleibenden Messkanalquerschnitt, ausgebildet. Die aus der Fluidleitung in die Schallmessanordnung eintretende Strömung wird somit im Messkanal in vorteilhafterweise in der Schallmessanordnung in keiner Weise negativ beeinflusst. Auch werden keine Druckverluste, außer dem Druckverlust durch die Wandreibung, begründet.
Dadurch, dass die Ultraschallwandleranordnung zumindest im Wesentlichen in Richtung parallel zur Achse des Messrohrs schwingt, kann die Schallwandleranordnung über einen Anschlag in besonders einfacher Weise an das Messrohr angekoppelt werden. Vorzugsweise schwingt die Schallwandleranordnung hierbei im 0. Mode, d. h. die Schwingungsrichtung ist über den gesamten Umfang betrachtet gleich.
Zweckmäßigerweise kann das Messrohr, vorzugsweise beidseitig, einen ringförmigen Absatz aufweisen, im Bereich dessen die Schallwandleranordnung positioniert sein kann. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Schallwandleranordnung über den Ein- bzw. Auslass des Messrohrs auf letzteres aufzuschieben und dort zu fixieren. Der ringförmige Absatz kann in einfacher Weise bei rotierendem Messrohr gefräst bzw. gedreht werden.
Zweckmäßigerweise ist an der Außenwand des Messrohrs eine senkrecht zur Achse des Messrohrs orientierte, umlaufende Anlagefläche vorgesehen, die als Anschlag für die Schallwandleranordnung dient.
Dadurch, dass die Schallwandleranordnung parallel zur Achse des Messrohrs schwingt, kann diese in besonders einfacher Weise durch ein elastisches Element in Längsrichtung des Messrohrs gegen das Messrohr vorgespannt werden. Beispielsweise kann hierfür ein mit einer zylindrischen Grundform versehenes elastisches Element, wie z.B. eine Spiralfeder oder ein elastisch wirkender Zylinder auf das Messrohr aufgeschoben werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Schallwandleranordnung, zumindest im Wesentlichen, in Richtung senkrecht zur Achse des Messrohrs schwingt.
Die Schallmessanordnung weist mindestens einen Anschluss, vorzugsweise zwei Anschlüsse, auf, die dazu dienen, die Schallmessanordnung mit den offenen Enden einer Fluidleitung auf herkömmliche Art und Weise zu verbinden.
Hierbei kann der Anschluss in vorteilhafterweise bereits in das Messrohr integriert sein. Insbesondere können an den gegenüberliegenden Enden des Messrohrs Gewindewindungen eingeformt sein, um zusammen mit einer Überwurfmutter eine Verbindung mit der Fluidleitung zu gewährleisten. Das Messrohr kann somit als sogenanntes „Anschlussgehäuse“ dienen.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet zudem, dass die erfindungsgemäße Schallmessanordnung mit einem besonders einfach zu realisierenden Gehäuse umgeben sein kann.
Zweckmäßigerweise kann das Gehäuse oder ein Teil desselben derart konzipiert sein, dass es von der Seite des jeweiligen Anschlusses aus auf das Messrohr aufgeschoben werden kann. Das Gehäuse bzw. der Teil davon kann insbesondere ebenfalls Zylinderform besitzen.
Vorzugsweise bildet das Gehäuse zusammen mit dem Messrohr einen Hohlraum, der die Ultraschallwandleranordnung sowie das elastische Element beherbergt. Dies kann vor allem dadurch erfolgen, dass das Messrohr sowie das Gehäuse koaxial zueinander angeordnet sind.
Die gesamte Schallmessanordnung einschließlich Gehäuse kann aufgrund ihrer einfachen Ausgestaltung zusätzlich mit Harz ummantelt sein.
Dadurch, dass das Gehäuse eine stirnseitige Öffnung aufweist, die das Messrohr umschließt, kann der Hohlraum zur Beherbergung der Ultraschallwandleranordnung und/oder des elastischen Elements ganz besonders einfach realisiert werden. Der Teil des Gehäuses, der das Messrohr umschließt, verläuft hierbei zweckmäßigerweise senkrecht zur Mittelachse des Messkanals.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse zwei Gehäuseschalen umfasst bzw. daraus besteht, die jeweils von der gegenüberliegenden Seite des Messrohrs auf das letztere aufgeschoben werden. Zur Reduzierung der Teilevielfalt können die beiden Gehäuseschalen sogar identisch ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise besteht das Messrohr aus Metall, vorzugsweise aus Messing oder einer Messinglegierung oder aus Edelstahl.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dicke der Wandung des Messrohrs kleiner ist als die Wellenlänge des Schallsignals. Hierbei bildet sich die geführte rotationssymmetrische Welle besonders gut aus.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betrieb einer Schallmessanordnung mit folgenden Merkmalen gelöst:

- Aufbringen eines ringförmigen Schallimpulses, vorzugsweise Ultraschallimpulses, auf ein Fluid enthaltendes, in eine Fluidleitung einzusetzendes Messrohr mittels eines ringförmigen Senders,
- wobei der ringförmige Schallimpuls in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle bewirkt,
- wobei die geführte rotationssymmetrische Welle in dem Messrohr eine Volumenkompressions-Welle in dem Fluid erzeugt, die in ihrer Hauptrichtung von der Innenwand des Messrohrs aus in einem schrägen Winkel zur Senkrechten bezogen auf die Oberfläche der Innenwand des Messrohrs in den Messkanal hineinverläuft,
- wobei die Volumenkompressions-Welle oder eine Resultierende daraus nach dem Auftreffen auf das Messrohr in dem Messrohr wiederum eine geführte rotationssymmetrische Welle bewirkt, und
- wobei die geführte rotationssymmetrische Welle von einem ringförmigen Empfänger empfangen und daraus ein Laufzeitsignal abgeleitet wird

Zweckmäßigerweise schwingt der ringförmige Sender entlang dessen Umfangrichtung gleichförmig in Längsrichtung des Messrohrs. Mit anderen Worten: Der ringförmige Sender kontrahiert und extrahiert entlang seines Umfangs gleichmäßig. Er schwingt im 0. Mode. Hierdurch wird eine optimale geführte rotationssymmetrische Welle in das Messrohr eingekoppelt.
Dadurch dass der ringförmige Sender mit mehreren vorzugsweise verschieden höheren, Moden angeregt wird, können zusätzliche Informationen über das Strömungsprofil gewonnen werden, da aus verschiedenen Richtungen gemessen werden kann und hierdurch genauer auf das im Messkanal vorherrschende Strömungsprofil geschlossen werden kann. Daraus gewonnene Daten können wiederum, insbesondere Messfehler-korrigierend, bei der Durchflussmessung miteinbezogen werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Volumenkompressionswelle oder die Resultierende daraus in dem Fluid nach dem Auftreffen auf das Messrohr in dem Messrohr mehrfach reflektiert, bevor sie von dem ringförmigen Empfänger, nach erneuter Einkopplung einer ringförmigen geführten Welle in das Messrohr von der zweiten Schallwandleranordnung empfangen wird. Hierdurch wird der gesamte Strömungsquerschnitt des Messrohrs optimal mit dem Schallsignal beaufschlagt. Zudem kann der Messkanal länger gestaltet werden. Zudem ergibt sich ein besserer Messeffekt.
Alternativ kann bei Bedarf die Volumenkompressionswelle oder die Resultierende daraus direkt und ohne Reflexionen auf das Messrohr auftreffen. Demzufolge sind gerade auch sehr kleine Miniaturisierungsgrade möglich.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren sowohl in als auch gegen die Strömungsrichtung des Fluids in dem Messrohr durchgeführt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzeugt ein ringförmiger Schallimpuls in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle, wobei die daraus resultierende direkt vom ringförmigen Sender zum ringförmigen Empfänger im Messrohr durchlaufende Welle zusätzlich vom ringförmigen Empfänger erfasst wird.
Hierdurch wird es möglich, das aus dem über das Fluid abgeleitete Laufzeitsignal und das aus der direkt entlang des Messrohrs verlaufenden Welle abgeleitete Laufzeitsignal zueinander in ein Verhältnis zu setzen und aus dem Verhältnis bzw. seiner Veränderung auf Fluideigenschaften (Dichte, Schallgeschwindigkeit usw.) zu schließen.
Figurenliste
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels nachstehend näher erläutern. Es zeigen:

1 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schallmessanordnung zur Erfassung der Durchflussmenge eines Fluids in Draufsicht sowie
2 eine Schnittdarstellung der Schallmessanordnung gemäß 1 in der Schnitteben B-B in 1.

Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schallmesseinrichtung. Die Schallmesseinrichtung 1 ist geradlinig, rohrförmig ausgebildet und dazu vorgesehen, in eine (nicht dargestellte) Fluidleitung installiert zu werden. Hierzu verfügt die Schallmessanordnung 1 über zwei gegenüberliegende Anschlüsse 2, 3, die zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Mutter mit einem umlaufenden Gewinde versehen sein können. Ferner verfügt die Schallmessanordnung 1 über ein vorzugsweise zylinderförmiges Gehäuse 14, welches aus zwei Gehäusehälften bzw. -schalen gebildet ist, die quergeteilt aneinander liegen. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die beiden Schalen des Gehäuses 14 identisch ausgebildet.
Alternativ kann das Gehäuse 14 auch längsgeteilt ausgebildet sein, d. h. über zwei durchgehende Schalen verfügen, die eine Längsteilung aufweisen.
Die erfindungsgemäße Schallmessanordnung 1 umfasst gemäß 2 weiterhin ein, vorzugsweise einstückiges, Messrohr 4 mit einer durchgehend ebenen, d.h. glatten, zylinderförmigen Innenwand 4a. Die Innenwand 4a verfügt über keinerlei Stufen, Ausnehmungen, Taschen oder Strömungsleiteinrichtungen, die die Fluidströmung im Inneren des Messrohrs 4 nachteilig beeinträchtigen würden. Die Außenwand 4b des Messrohrs 4 kann vorzugsweise ebenfalls zylindrisch ausgebildet sein, wodurch das Messrohr 4 besonders einfach herzustellen ist.
Die Anschlüsse 2, 3 sind jeweils in das Messrohr 4 integriert. Das Messrohr 4 stellt damit ein Anschlussgehäuse dar.
Im Inneren des Messrohrs 4 befindet sich ein Messkanal 5, der im Betrieb der Schallmessanordnung von Fluid beispielsweise von der in 2 linken zur rechten Seite durchströmt wird.
Das Messrohr 4 weist auf beiden Seiten einen umlaufenden, ringförmigen Absatz 8, 9 auf, wodurch zu beiden Seiten eine vorzugsweise senkrecht zur Achse des Messrohrs 4 orientierte, umlaufende Anlagefläche 10, 11 gebildet wird.
Auf diesem stufenförmigen Absatz 8, 9 kann eine ringförmige Schallwandleranordnung 6, 7 in einfacher Weise stirnseitig über den jeweiligen Anschluss 2, 3 auf das Messrohr 4 aufgeschoben und in Kontakt mit der Anlagefläche 10, 11 positioniert werden. Des Weiteren kann ebenfalls über die jeweilige Stirnseite des Anschlags 2, 3 ein elastisches Element 12, 13, z.B. in Form einer Spiraldruckfeder ebenfalls auf den ringförmigen Absatz 8, 9 aufgeschoben werden. Das elastische Element 12, 13 dient dazu, die Schallwandleranordnung 6 bzw. 7 in Anschlagposition zum Messrohr 4 zu halten.
Das Gehäuse 14 bzw. die jeweilige Gehäusehälfte weist an ihrem, dem jeweiligen Anschluss 2, 3 zugewandten Ende einen umlaufenden, zur Mitte des Messkanals 5 orientierten Kragen auf, der eine Öffnung 14a bzw. 14b festlegt, so dass auf diese Art und Weise das Gehäuse 14 das Messrohr 4 im Bereich der Anschlüsse 2, 3 oder weiter innenliegend umfassen kann. Zur Fixierung kann am Messrohr 4 im Bereich des umlaufenden Kragens des Gehäuses 14 eine kleine umlaufende Stufe 15 in das Messrohr 4 eingearbeitet sein.
In vorteilhafter Weise bildet das Gehäuse 14 zusammen mit dem Messrohr 4 einen vorzugsweise umlaufenden Hohlraum 17, der die Schallwandleranordnung 6, 7 sowie das elastische Element 12, 13 beherbergt.
Die Schallwandleranordnung 6, 7 weist weiterhin (jeweils nicht dargestellte) Elektroden sowie Anschlüsse zur Ansteuerung der Schallwandleranordnung bzw. zur Signalweiterleitung auf.
Wie aus 2 gut zu erkennen ist, bildet die erfindungsgemäße Schallmessanordnung einen sehr einfach gestalteten Aufbau mit wenig Teilen, die noch dazu in besonders einfacher Weise montiert werden können. Zudem befinden sich innerhalb des Messkanals 5 keinerlei zusätzliche Teile bzw. Forminhomogenitäten der Innenwand 4a des Messrohrs 4.
Nachstehend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Schallmessanordnung näher erläutert:
Mittels der ringförmigen Schallwandleranordnung 6 in 2 wird ein ringförmiger Schallimpuls, vorzugsweise Ultraschallimpuls, zumindest hauptsächlich bzw. zumindest im Wesentlichen auf das Messrohr 4 aufgebracht. Die ringförmige Schallwandleranordnung 6 schwingt hierbei im Wesentlichen in einer Richtung parallel zur Mittelachse M des Messkanals 4, d. h. die Ausdehnungsachse des ringförmigen Piezoelements ist längs der Mittelachse M ausgerichtet.
Der ringförmige Schallimpuls bewirkt im Bereich seiner Einkopplung in das Messrohr 4 die Ausbildung einer ringförmigen bzw. rotationssymmetrischen sogenannten „geführten Welle“ 15a („Oberflächenwelle“), die sich zum anderen Ende des Messrohrs aufgrund der Auskopplung von Schallenergie in das Fluid rasch abschwächt, wie dies in 2 dargestellt ist. Die sich hierdurch an der Innenwand 4a des Messrohrs 4 bildende ringförmige geführte Welle 15a induziert in das Fluid wiederum eine rotationssymmetrische Volumenkompressionswelle 16, die in ihrer Hauptrichtung von der Innenwand 4a des Messrohrs 4 aus in einem schrägen Winkel zur Senkrechten bezogen auf die Oberfläche der Innenwand 4a des Messrohrs 4 in den Messkanal 5 hineinverläuft (siehe Pfeile in 1). Trifft diese Volumenkompressionswelle 16 oder deren Resultierende um eine bestimmte Länge versetzt in dem Messkanal 5 wiederum auf die Innenwand 4a des Messkanals 4 auf, wird durch den rotationssymmetrischen Energieeintrag an dieser Stelle in das Messrohr 4 wiederum eine ringförmige geführte Welle 15b induziert d. h. erzeugt. Letztere kann von der weiteren Schallwandleranordnung 7 detektiert und hieraus die Laufzeit des Schallsignals vom Sender zum Empfänger berechnet werden. In gleicher Weise wird eine Messung in entgegengesetzter Richtung vorgenommen, bei der die Schallwandleranordnung 7 in 2 als Sender und die Schallwandleranordnung 6 als Empfänger arbeitet. Die Verhältnisse wären daher genau umgekehrt wie in 2 dargestellt.
Zweckmäßigerweise schwingt der ringförmige Sender entlang dessen Umfangrichtung gleichförmig in Längsrichtung des Messrohrs. Mit anderen Worten: Der ringförmige Sender kontrahiert und extrahiert entlang seines Umfangs gleichmäßig. Hierdurch wird eine optimale ringförmige geführte Welle in das Messrohr eingekoppelt. Der ringförmige Sender schwingt hierbei im sogenannten nullten Schwingungsmode.
Alternativ oder zusätzlich kann der ringförmige Sender auch mit mehreren verschiedenen höheren Moden angeregt werden. Hierdurch können zusätzliche Informationen über das Strömungsprofil gewonnen werden, da aus verschiedenen Richtungen gemessen werden kann und hierdurch genauer auf das im Messkanal vorherrschende Strömungsprofil geschlossen werden kann. Daraus können wiederum Daten gewonnen werden, die insbesondere Messfehler-korrigierend, miteinbezogen werden können.
Die Schallmesseinrichtung ist derart festgelegt, dass das ringförmige Ultraschallsignal 15a die ringförmige geführte Welle in das Messrohr 4 einkoppeln kann.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch geeignete Wahl des Materials des Messrohrs bzw. dessen Materialeigenschaften, der Frequenz des Schallsignals sowie der Wandstärke des Messrohrs sich die ringförmige geführte Welle ausbildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material des Messrohrs um Metall, insbesondere z.B. um Messing, eine Messinglegierung oder Edelstahl. Die Wandstärke des Messrohrs ist zweckmäßiger kleiner als die Wellenlänge λ des Schallsignals. Wird als Material des Messrohrs z. B. Messing (die Schallgeschwindigkeit c in Messing bei 20 °C beträgt ca. 3500 m/s) verwendet, so ergibt sich nach der Formel $λ= c/f$

bei einer Frequenz f von 1 MHz eine Wandstärke von weniger als 3,5 mm. Sofern die Wandstärke im Bedarfsfall nicht ausreichen sollte, kann die Frequenz f reduziert werden, um eine größere Wandstärke zu ermöglichen. Sofern beispielsweise bei einem Messrohr aus Messing die vorher genannte Wandstärke nicht ausreichen sollte, könnte hierfür die Frequenz z. B. auf 0,5 MHz reduziert werden. Dies ergäbe dann eine mögliche Wandstärke bei Messing von weniger als 7 mm.
Alternativ wäre z. B. bei Edelstahl (die Schallgeschwindigkeit c in Edelstahl bei 20 °C beträgt ca. 5850 m/s) und einer Frequenz f von 1 MHz die maximale Wandstärke 5,85 mm also etwas größer als bei Messing.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich ein ringförmiger Schallimpuls in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle erzeugen, wobei die daraus resultierende, direkt vom ringförmigen Sender zum ringförmigen Empfänger in oder entlang der Wandung des Messrohrs durchlaufende Welle zusätzlich vom ringförmigen Empfänger erfasst werden kann. Dies erlaubt es, das aus dem über das Fluid abgeleitete Laufzeitsignal und das aus der direkt im Messrohr verlaufenden Welle abgeleitete Laufzeitsignal zueinander in ein Verhältnis zu setzen und aus dem Verhältnis bzw. seiner Veränderung auf Fluideigenschaften (Dichte, Schallgeschwindigkeit usw.) zu schließen.
Bezugszeichenliste

1: Schallmessanordnung
2: Anschluss
3: Anschluss
4: Messrohr
4a: Innenwand Messrohr
4b: Außenwand Messrohr
5: Messkanal
6: Schallwandleranordnung
7: Schallwandleranordnung
8: Absatz
9: Absatz
10: Anlagefläche
11: Anlagefläche
12: elastisches Element
13: elastisches Element
14: Gehäuse
14a: Gehäuseöffnung
14b: Gehäuseöffnung
15: Stufe
16: Volumenkompressionswelle
17: Hohlraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013005810 A1 [0004, 0012]
WO 2008/034878 A2 [0005]
DE 4416367 C1 [0006]
US 4838127 [0007]
US 4467659 [0007]

Claims

Schallmessanordnung, vorzugsweise Ultraschallmessanordnung insbesondere zur Erfassung der Durchflussmenge und/oder zur Bestimmung von Fluideigenschaften eines Fluides mit einem zylindrischen Messrohr (4) mit einer Innenwand (4a), einem im Inneren des Messrohrs (4) angeordneten Messkanal (5), der von dem Fluid durchströmbar ist, einer ringförmigen Schallwandleranordnung (6 bzw. 7), die als Sender von Schallsignalen dient, einer ringförmigen Schallwandleranordnung (7 bzw. 6), die als Empfänger von Schallsignalen dient, wobei die ringförmigen Schallwandleranordnung (6 bzw. 7) jeweils außenseitig am Messrohr (4) umlaufend angeordnet ist, wobei von der Schallwandleranordnung (6, 7) erzeugte Schallsignale jeweils das Fluid durchsetzen und die richtungsabhängigen Laufzeitunterschiede der Schallsignale der Bestimmung der Durchflussmenge dienen, und wobei ein ringförmiges Schallsignal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Ultraschallsignal eine ringförmige geführte Welle (15a) in das Messrohr (4) einkoppelt, die ringförmige geführte Welle (15a) des Messrohrs (4) in das Fluid im Messkanal (5) einkoppelt, wobei durch die Wellenenergie der ringförmigen geführten Welle (15a) bedingt in dem im Messrohr (4) befindlichen Fluid eine Volumenkompressions-Welle (16) erzeugbar ist, die von der Innenwand (4a) des Messrohrs (4) aus in einem schrägen Winkel zur Senkrechten bezogen auf die Oberfläche der Innenwand (4a) des Messrohrs (4) in den Messkanal (3) orientiert ist.
Schallmessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Messrohr (4) eine einheitlichen Strömungsquerschnitt aufweist.
Schallmessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandleranordnung (6, 7) zumindest im Wesentlichen in Richtung parallel zur Achse des Messrohrs (4) schwingt.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (4), vorzugsweise beidseitig, einen ringförmigen Absatz (8, 9) aufweist und die Schallwandleranordnung (6, 7) im Bereich des Absatzes (8, 9) positioniert ist.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenwand des Messrohrs (4) eine senkrecht zur Achse des Messrohrs (4) orientierte Anlagefläche (10, 11) vorgesehen ist, an der die Schallwandleranordnung (6, 7) anliegt.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Element (12, 13) vorgesehen ist, welches die Ultraschallwandleranordnung (6, 7) in seiner Position in Längsrichtung des Messrohrs (4) gegen das Messrohr (4) vorspannt.
Schallmessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandleranordnung (6, 7) zumindest im Wesentlichen in Richtung senkrecht zur Achse des Messrohrs (4) schwingt.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schallmessanordnung (1) mindestens einen Anschluss, vorzugsweise zwei Anschlüsse (2, 3), zum Anschluss an eine Rohrleitung aufweist.
Schallmessanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anschluss (2, 3) der Schallmessanordnung (1) in das Messrohr (4) integriert ist.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallmessanordnung (1) ein Gehäuse (14) oder Teil davon aufweist, welches von der Seite des Anschlusses (2, 3) aus auf das Messrohr (4) aufschiebbar ist.
Schallmessanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) zusammen mit dem Messrohr (4) einen Hohlraum (15) bildet, der die Ultraschallwandleranordnung (6, 7) sowie das elastisches Element (12, 13) beherbergt.
Schallmessanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gehäuse (14) eine stirnseitige Öffnung (14a) aufweist, die das Messrohr (4) umschließt.
Schallmessanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandung des Messrohrs (4) kleiner ist als die Wellenlänge des Schallsignals.
Verfahren zum Betrieb einer Schallmessanordnung insbesondere zur Erfassung der Durchflussmenge eines und/oder zur Bestimmung von Fluideigenschaften eines Fluides, mit folgenden Verfahrensmerkmalen Aufbringen eines ringförmigen Schallimpulses, vorzugsweise Ultraschallimpulses, auf ein Fluid enthaltendes, in eine Fluidleitung einzusetzendes Messrohr mittels eines ringförmigen Senders, wobei der ringförmige Schallimpuls in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle bewirkt, wobei die geführte rotationssymmetrische Welle in dem Messrohr eine Volumenkompressions-Welle in dem Fluid erzeugt, die in ihrer Hauptrichtung von der Innenwand des Messrohrs aus in einem schrägen Winkel zur Senkrechten bezogen auf die Oberfläche der Innenwand des Messrohrs in den Messkanal hineinverläuft, wobei die Volumenkompressions-Welle oder eine Resultierende daraus nach dem Auftreffen auf das Messrohr in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle bewirkt, und wobei die geführte rotationssymmetrische Welle von einem ringförmigen Empfänger empfangen und daraus ein Laufzeitsignal abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Sender entlang dessen Umfangsrichtung gleichförmig in Längsrichtung des Messrohrs schwingt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkompressions-Welle oder die Resultierende daraus dem Messkanal durchläuft und direkt von dem ringförmigen Empfänger empfangen wird oder am Messrohr ein- oder mehrfach reflektiert wird, bevor sie von dem ringförmigen Empfänger empfangen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Wahl des Materials des Messrohrs bzw. dessen Materialeigenschaften, der Frequenz des Schallsignals sowie der Wandstärke des Messrohrs die Ausbildung der geführten rotationssymmetrischen Welle ermöglicht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Sender mit mehreren verschiedenen höheren Moden angeregt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren sowohl in als auch gegen die Strömungsrichtung des Fluids in dem Messrohr durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wobei ein ringförmiger Schallimpuls in dem Messrohr eine geführte rotationssymmetrische Welle erzeugt und die daraus resultierende, direkt entlang der Rohrwand des Messrohrs verlaufende Welle erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem über das Fluid abgeleiteten Laufzeitsignal und aus einem aus der direkt entlang der Rohrwand des Messrohrs verlaufenden Welle abgeleiteten Laufzeitsignal ein Verhältnis gebildet wird.