DE102016111133A1

DE102016111133A1 - Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Volumen- und/oder Massendurchflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung

Info

Publication number: DE102016111133A1
Application number: DE102016111133.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Berger; Achim Wiest
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massendurchflusses eines fluiden Mediums (2), das eine Rohrleitung in einer Strömungsrichtung (S) durchströmt, mit einem in die Rohrleitung eingebrachten Messrohr (3), mit zumindest zwei Ultraschallsensoren (4), die jeweils in einer Öffnung der Wandung des Messrohres (3) befestigt sind, wobei die Ultraschallsensoren abwechselnd Ultraschall-Messsignale mit einer vorgegebenen Frequenz entlang eines innerhalb des Messrohres (3) verlaufenden Messpfades (MP) aussenden und empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (5), die den Volumen- und/oder den Massendurchfluss des fluiden Mediums (2) in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr (3) anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale in Strömungsrichtung (S) und entgegen der Strömungsrichtung (S) ermittelt, wobei ein Ultraschallwandler (4) ein topfförmiges Gehäuse (7) aufweist, dessen dem Medium (2) zugewandte Stirnfläche durch eine Membran (8) verschlossen ist, wobei zumindest ein elektromechanisches die Ultraschallwellen erzeugendes und empfangendes Wandlerelement (9) an der Innenfläche der Membran (8) angeordnet ist. Der Ultraschallwandler (4) ist mittels eines hülsenförmigen Adapters (10) in der Öffnung (6) der Wandung des Messrohres (3) angeordnet und so ausgestaltet und/oder in der Wandung befestigt ist, dass die Laufzeit von Körperschallwellen, die sich zwischen den beiden Ultraschallwandlern (4) über die Wandung des Messrohres (3) und/oder der Rohrleitung ausbreiten, von der Laufzeit der Schallwellen auf dem Messpfad (MP) verschieden ist und/oder dass die Körperschallwellen in zumindest einem vorgegebenen Frequenzbereich gedämpft werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massendurchflusses eines fluiden Mediums, das eine Rohrleitung in einer Strömungsrichtung durchströmt, mit einem in die Rohrleitung eingebrachten Messrohr, mit zumindest zwei Ultraschallsensoren, die jeweils in einer Öffnung der Wandung des Messrohres befestigt sind, wobei die Ultraschallsensoren abwechselnd Ultraschall-Messsignale mit einer vorgegebenen Frequenz entlang eines innerhalb des Messrohres verlaufenden Messpfades aussenden und empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die den Volumen- und/oder den Massendurchfluss des fluiden Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung ermittelt, wobei ein Ultraschallwandler ein topfförmiges Gehäuse aufweist, dessen dem Medium zugewandte Stirnfläche durch eine Membran verschlossen ist, wobei zumindest ein elektromechanisches, die Ultraschallwellen erzeugendes und empfangendes Wandlerelement vorgesehen ist. Entsprechende Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen in der Automatisierungstechnik angeboten und vertrieben.
Hinsichtlich der Typen von Messgeräten wird unterschieden zwischen Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die in die Rohrleitung eingesetzt werden, und Clamp-On Durchflussmessgeräten, bei denen die Ultraschall-sensoren von außen an die Rohrleitung mittels einer geeigneten Befestigungsvorrichtung angepresst werden. Clamp-On Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung bzw. in das Messrohr, in der/in dem sich das strömende Medium befindet, eingestrahlt und/oder empfangen. Um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen, werden die von einem elektromechanischen Wandlerelement erzeugten Ultraschallwellen bzw. Ultraschall-Messsignale über einen Sensorkörper bzw. einen Koppelkeil in die Rohrleitung eingekoppelt bzw. aus der Rohrleitung ausgekoppelt. Zwischen dem elektromechanischen Wandler und dem Sensorkörper befindet sich noch eine Anpassschicht. Piezoelektrisches Element und Sensorkörper sind in einem topfförmigen Gehäuse angeordnet, dessen dem Medium zugewandte Stirnfläche durch eine Membran verschlossen ist. Bei dem elektromechanischen Wandler handelt es sich üblicherweise um zumindest ein scheibenförmiges Piezoelektrisches Element.
Die nachfolgende Beschreibung ebenso wie die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Inline-Durchflussmessgerät, bei dem der Ultraschallsensor das Medium in einem dem Medium zugewandten Teilbereich direkt kontaktiert. Durch die beiden Ultraschallsensoren wird nicht nur das eigentliche Nutzsignal, das der Bestimmung des Volumen- und/oder Massenstroms dient, sondern auch die Messgenauigkeit des Durchflussmessgeräts vermindernde Störsignale erzeugt. Eines dieser Störsignale ist das sog. Rauschen. Dieses lässt sich durch Mittelung von mehreren kurz hintereinander folgenden Schallpaketen signifikant minimieren. Was durch die Mittelungen nicht minimiert werden kann, ist der sog. Körperschall, d. h. Schallwellen, die vom Sender zum Empfänger nicht auf direktem Weg durch das Medium, sondern über verschiedene Pfade über die Rohrwand und teilweise auch über das Medium übertragen werden. Die Störsignale überlagern sich dem eigentlichen Durchflussmesssignal. Besonders problematisch ist es in diesem Zusammenhang, wenn die beiden Signale wenig zeitversetzt am auf Empfang geschalteten Ultraschallsensor ankommen. Wobei im Falle von Durchflussmessungen von Gasen das Nutzsignal im Störsignal/in den Störsignalen verschwindet, da hier das Nutzsignal relativ schwach ist. Als Gegenmaßnahme wurde angeregt, den Schallpfad über die Wandung des Messrohres so lang auszugestalten, dass sich die Laufzeit des das Medium querenden Nutzsignals deutlich von der Laufzeit des Störsignals, das sich über die Wandung des Messrohres ausbreitet, unterscheidet. Probleme treten jedoch spätestens dann auf, wenn es sich um eine Rohrleitung mit einer kleinen Nennweite handelt. In diesem Fall lassen sich Messfehler kaum noch vermeiden. Daher ist es vorteilhaft, diese Störsignale, die sich über die Wandung des Messrohres oder über vom eigentlichen Messpfad abweichenden Wegen ausbreiten, bereits an der Quelle, wo sie entstehen, zu vermeiden und nicht erst nachträglich aus den gemessenen Signalen herauszufiltern bzw. zu eliminieren.
Um den Anteil der Ultraschall-Messsignale, die sich über die Wandung der Rohrleitung ausbreiten, zu minimieren, wird in der WO 2005/052519 A2 folgende Lösung vorgeschlagen: Der Ultraschallsensor ist topfförmig ausgebildet und weist ein Gehäuse und eine schwingfähige Einheit zur Erzeugung der Ultraschallsignale auf. Die schwingfähige Einheit besteht aus mehreren Komponenten und ist so ausgestaltet ist, dass sie eine Knotenebene aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahl- bzw. Empfangsrichtung der Ultraschall-Messsignale angeordnet ist. Zumindest ein Teilbereich der Außenfläche der schwingfähigen Einheit ist im Bereich der Knotenebene der schwingfähigen Einheit mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Knotenebene ist dadurch definiert, dass hier die in Einstrahl- bzw. Abstrahlrichtung ein- und auslaufenden Messsignale destruktiv miteinander interferieren. Durch diese Konstruktion des Ultraschallsensors wird ein hoher Entkopplungsgrad der schwingfähigen Einheit vom Gehäuse erreicht.
Weitere Lösungen, die Störsignale zu vermeiden suchen, sind in der DE 10 2010 064 117 A1 und DE 10 20122 090 082 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Störsignale zu minimieren, die auf vom Messpfad abweichenden Wegen vom sendenden zum empfangenden Ultraschallsensor gelangen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Ultraschallwandler mittels eines hülsenförmigen Adapters in der Öffnung der Wandung des Messrohres angeordnet ist, wobei der hülsenförmige Adapter so ausgestaltet und/oder in der Wandung befestigt ist, dass die Laufzeit von Körperschallwellen, die sich zwischen den beiden Ultraschallwandlern über die Wandung des Messrohres und oder der Rohrleitung ausbreiten, von der Laufzeit der Schallwellen auf dem Messpfad verschieden ist und/oder dass die Körperschallwellen in zumindest einem vorgegebenen Frequenzbereich gedämpft werden.
Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen – in Abhängigkeit vom Material der Wandung des Messrohrs und der Arbeitsfrequenz – der Ultraschallsensor geeignet ausgestaltet sein muss, wird dies erfindungsgemäß über das Zwischenstücks bzw. den Adapter gelöst. Die Geometrie des Adapters ist so ausgelegt, dass die Übertragung von Störsignalen reduziert und gleichzeitig die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors an die jeweilige Anwendung angepasst ist. Als entscheidend für den Störabstand – also den zeitlichen Abstand zwischen der Ankunft des Nutzsignals und des Störsignals am empfangenden Ultraschallsensor sind nach Erkenntnissen der Anmelderin die folgenden Parameter: a) der Abstand zwischen der Membran und der Befestigung an der Rohrwand und b) der Abstand zwischen der Außenwand des topfförmigen Gehäuses und der Innenwand der Öffnung, in der der Ultraschallsensor platziert ist. Genau diese beiden Parameter lassen sich über den Adapter einfach und kostengünstig an die jeweilige Anwendungsbereiche anpassen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Material, aus dem der hülsenförmige Adapter gefertigt ist, eine Schallgeschwindigkeit auf, die von der Schallgeschwindigkeit der Körperschallwellen im Messrohr und/oder in der Rohrleitung verschieden ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein ringförmiger Bereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters mit einem korrespondierenden ringförmigen Innenbereich der Öffnung der Wandung des Messrohres verbunden ist, wobei der ringförmige Bereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters von der durch die Membran verschlossenen Stirnfläche des Ultraschallsensors um eine Strecke x in axialer Richtung beabstandet ist, die kleiner ist als die halbe Höhe des topfförmigen Gehäuses.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der ringförmige Verbindungsbereich zwischen Adapter und Öffnung wulstförmig ausgestaltet ist, so dass oberhalb des ringförmigen Verbindungsbereichs zwischen Adapter und Öffnung ein Spalt einer vorgegebenen Dicke gebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der hülsenförmige Adapter – ausgehend von der durch die Membran verschlossenen Stirnfläche oder von dem ringförmigen Verbindungsbereich – in axialer Richtung verjüngt, so dass oberhalb des ringförmigen Verbindungsbereichs zwischen Adapter und Öffnung ein Spalt gebildet ist, dessen Dicke einen vorgegebenen Kurvenverlauf aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Zusatzhülse vorgesehen, die im Bereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters angeordnet ist, wobei die Zusatzhülse derart mit dem hülsenförmigen Adapter oder dem topfförmigen Gehäuse verbunden ist, dass zwischen der Zusatzhülse und dem hülsenförmigen Adapter ein Spalt mit einer vorgegebenen Dicke oder einem vorgegebenen Kurvenverlauf gebildet wird. Die Zusatzhülse ist so ausgestaltet und positioniert, dass die Störsignale destruktiv interferieren.
Bevorzugt weist das Material, aus dem die zumindest einen Zusatzhülse gefertigt ist, eine Schallgeschwindigkeit auf, die von der Schallgeschwindigkeit des Materials abweicht, aus dem der hülsenförmigen Adapter gefertigt ist. So kann auf kleinem Raum, also auch bei kleinen Nennweiten des Messrohrs – die Phasendifferenz zwischen den Nutzsignalen und den Störsignalen geeignet vergrößert werden.
Als besonders vorteilhaft wird es in Zusammenhang mit der Erfindung erachtet, wenn die Außenfläche des hülsenförmigen Adapters und/oder die Außenfläche der zumindest einen Zusatzhülse so gestaltet sind/ist, dass die Körperschallwellen in Amplitude und/oder Phase in einer vorgegebenen Weise geändert werden. Durch geeignete Wahl der Außengeometrie des Adapters ist es möglich, die Schallwellen auf ihrem Weg vom und zum Adapter in der Amplitude und Phase so zu verändern, dass die Energie der Schallwellen über einen ausgedehnten Zeitbereich verteilt wird oder durch destruktive Interferenz bei ausgewählten Frequenzen teilweise in ihrer Richtung umgekehrt werden. Bevorzugt lässt sich dieser Effekt dadurch erreichen, dass eine oder mehrere Hülsen auf den Adapter aufgebracht, insbesondere aufgepresst werden.
Insbesondere ist die zumindest eine Zusatzhülse so ausgestaltet ist, dass die Körperschallwellen destruktiv interferieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
2: einen Längsschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ultraschall-Durchflussmessgerät,
3: eine Draufsicht auf ein topfförmiges Gehäuse eines Ultraschallsensors, wie er in 2 eingesetzt ist oder in Verbindung mit der Erfindung verwendbar ist,
3a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 3,
3b: eine Seitenansicht des in 3 gezeigten topfförmigen Gehäuses für einen Ultraschallsensor,
3c: eine perspektivische Darstellung des in 3 gezeigten topfförmigen Gehäuses für einen Ultraschallsensor,
4: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines hülsenförmigen Adapters, der bei der Erfindung eingesetzt wird,
4a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 4,
4b: eine Seitenansicht des in 4 hülsenförmigen Adapters,
4c: eine perspektivische Darstellung des in 4 gezeigten hülsenförmigen Adapters,
5: in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestattetes Ultraschall-Durchflussmessgerät,
6: eine Draufsicht auf eine vorteilhafte Ausführungsform eines hülsenförmigen Adapters, der an der Außenwand eines topfförmigen Gehäuses eines Ultraschallsensors befestigt ist,
6a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 6,
6b: eine Seitenansicht der in 6 gezeigten Ausführungsform,
6c: eine perspektivische Darstellung der in 6 gezeigten Ausführungsform,
7: eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines hülsenförmigen Adapters, der an der Außenwand eines topfförmigen Gehäuses eines Ultraschallsensors befestigt ist,
7a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung V-V in 7,
7b: eine Seitenansicht der in 7 gezeigten Ausführungsform,
7c: eine perspektivische Darstellung der in 7 gezeigten Ausführungsform,
7d: eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A aus 7,
7e: eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts B aus 7d,
8: eine Draufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines hülsenförmigen Adapters, der an der Außenwand eines topfförmigen Gehäuses eines Ultraschallsensors befestigt ist,
8a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung V-V in 8,
8b: eine Seitenansicht der in 8 gezeigten Ausführungsform,
8c: eine perspektivische Darstellung der in 8 gezeigten Ausführungsform,
8d: eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A aus 8,
8e: eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts B aus 8d.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 – teilweise im Längsschnitt. Das Inline-Durchflussmessgerät ist über in 1 nicht gesondert dargestellte Flansche in einer nicht gesondert dargestellten Rohrleitung befestigt. In zwei Öffnungen 6 der Wandung des Messrohres 3 sind in bekannter Weise Ultraschallsensoren 4 positioniert. Anzumerken ist, dass neben diesem sog. einkanaligen Durchflussmessgerät 1 auch mehrkanalige Durchflussmessgeräte bekannt geworden sind. Bei mehrkanaligen Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren 4 paarweise so angeordnet, auch Messpfade MP vorhanden sind, die die Längsachse L des Messrohrs 3 nicht schneiden. Hierdurch kann das Strömungsprofil des in dem Messrohr 3 strömenden Mediums 2 ermittelt werden.
Im gezeigten Fall sind die beiden Ultraschallsensoren 4 in einander gegenüberliegenden Bereichen des Messrohres 3 angeordnet, wobei die beiden Bereiche parallel zur Längsachse L versetzt sind. Beide Ultraschallsensoren 4 sind in ihrem dem Medium 2 zugewandten Endbereich mediumsberührend.
Das Messrohr 3 wird von einem fluiden Medium 2, bei dem es sich im Wesentlichen um ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium 2 handelt, in Strömungsrichtung S durchströmt. Die beiden Ultraschallsensoren 4 werden von der Regel-/Auswerteeinheit 5 abwechselnd in einen Sendemodus und in einen Empfangsmodus geschaltet. Im Sendemodus sendet einer der beiden Ultraschallsensoren 4 eine Schallwelle bzw. ein Ultraschallsignal in Richtung des gegenüberliegenden Ultraschallsensors 4 aus. Die Schallwelle bzw. das Ultraschallsignal wird von dem im Empfangsmodus betriebenen Ultraschallsensor 4 nach Durchlaufen des Messpfades MP empfangen. Anschließend werden die Modi der beiden Ultraschallsensoren 4 getauscht.
Die das Medium 2 querenden Schallwellen laufen bevorzugt auf dem eingezeichneten Messpfad MP, der die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Ultraschallsensoren 4 kennzeichnet. Sendet der obere Ultraschallsensor 4 ein Ultraschallsignal aus, so wird dieses von dem in Strömungsrichtung S strömenden Medium 2 mitgenommen und hat auf dem Messpfad MP eine von der Regel-/Auswerteeinheit 5 ermittelte Laufzeit. Sendet der untere Ultraschallsensor 4, so wird auf dem Messpfad MP eine längere Laufzeit gemessen, da sich das Ultraschallsignal entgegen der Strömungsrichtung S des Mediums 2 ausbreitet. Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Medium 2 durch das Messrohr 3 bzw. durch die Rohrleitung strömt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ultraschall-Durchflussmessgerät 1. Ein Ultraschallsensor 4 besteht aus einem topfförmigen Gehäuse 7, das an seiner dem Medium 2 zugewandten Stirnfläche durch eine Membran 8 verschlossen ist. Im Innenraum des Gehäuses 7 ist ein elektromechanisches Wandlerelement 9 positioniert. Üblicherweise ist das elektromechanische Wandlerelement 9 ein piezoelektrisches Element, das beim Senden ein elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal und beim Empfangen ein Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal umwandelt. Üblicherweise ist der elektromechanische Wandler über einen Sensorkörper und eine Anpassschicht (beide sind in der 2 nicht dargestellt) mit der Membran 8 gekoppelt.
In den 3, 3a, 3b, 3c ist eine Ausgestaltung des topfförmigen Gehäuses 7 in verschiedenen Ansichten gezeigt. 3 zeigt eine Draufsicht, 3a einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 3, 3b eine Seitenansicht des in 3 gezeigten topfförmigen Gehäuses 7 für einen Ultraschallsensor 1 und 3c eine perspektivische Darstellung des in 3 gezeigten topfförmigen Gehäuses 7 für einen Ultraschallsensor 1. Im oberen Randbereich 11 ist das Gehäuse 7 mit der Wandung der Öffnung 6 verbunden. Da der obere Randbereich einen größeren Außendurchmesser aufweist als das im übrigen zylinderförmige Gehäuse 7, ist im eingebauten Zustand des Ultraschallsensors 1 in der Öffnung 6 ein Spalt zwischen der Außenfläche des Gehäuses 7 und der Innenwand der Öffnung 6. Dieser Spalt dient dazu, Körperwellen, die sich über die Wandung des Messrohres 3 ausbreiten, zeitlich gegenüber den Schallwellen, die sich über den Messpfad MP ausbreiten, zu verzögern. Hierdurch wird vermieden, dass sich die Körperwellen als Störsignale dem eigentlichen Nutzsignal zur Bestimmung des Durchflusses des Mediums 2 durch das Messrohr 3 überlagern.
In den Figuren 4, 4a, 4b und 4c sind unterschiedliche Ansichten einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen hülsenförmigen Adapters 10 gezeigt, der in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommt. 4 zeigt eine Draufsicht, 4a einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 4, 4b eine Seitenansicht des in 4 hülsenförmigen Adapters 10 und 4c eine perspektivische Darstellung des in 4 gezeigten hülsenförmigen Adapters 10.
Der in dem topfförmigen Gehäuse 7 angeordnete Ultraschallwandler 4 wird mittels des hülsenförmigen Adapters 10 in der Öffnung 6 der Wandung des Messrohres 3 fixiert. Der hülsenförmige Adapter 10 ist so ausgestaltet und/oder in der Wandung befestigt ist, dass die Laufzeit von Körperschallwellen, die sich zwischen den beiden Ultraschallwandlern 4 über die Wandung des Messrohres 3 und/oder der Rohrleitung ausbreiten, von der Laufzeit der Schallwellen auf dem Messpfad MP verschieden ist. Zusätzlich oder alternativ werden die Körperschallwellen in zumindest einem vorgegebenen Frequenzbereich gedämpft. Dieser Frequenzbereich ist üblicherweise zumindest der Frequenzbereich, in dem die Arbeitsfrequenz des Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 liegt.
Als entscheidend für den Abstand zwischen den eigentlichen Ultraschall-Messsignalen und den störenden Körperschallwellen hat sich die Distanz zwischen der Membran 8 des Ultraschallsensors 1 und dem ringförmigen Verbindungsbereich 11 zwischen dem topfförmigen Gehäuse 7 und der Öffnung 6 herausgestellt. Eine vergleichbar wichtige Einflussgröße ist die Dicke d des Spalts 12 zwischen dem topfförmigen Gehäuse 7 und der Öffnung 6. Beide Einflussgrößen können über die entsprechende Ausgestaltung und Positionierung des hülsenförmigen Adapters 10 auf einfache Art und Weise an die jeweilige Anwendung geeignet angepasst werden.
Bei der in den Figuren 4a, 4b, 4c und 4d gezeigten Ausgestaltung des hülsenförmigen Adapters 10 sind mehrere miteinander verbundene Hülsen 13 vorgesehen. Bevorzugt sind die einzelnen Hülsen 13 aufeinander gepresst. Selbstverständlich könnte der Adapter 10 auch über eien Fräsprozess hergestellt werden. Die von dem Ultraschallwandler 4 erzeugten Körperschallwellen breiten sich auf zwei Wegen aus, die unterschiedlich lang sind: Eine kurze Strecke führt direkt über das topfförmige Gehäuse 7 und eine lange Strecke führt über den hülsenförmigen Adapter 10.
In den Figuren 5x ist der zuvor beschriebene hülsenförmige Adapter 10 zur Reduktion der Körperschallwellen bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 eingestszt. In den Figuren 6a, 6b, 6c und 6d ist der entsprechende hülsenförmige Adapter 10, der aus mehreren Hülsen 13 besteht, an dem topfförmigen Gehäuse 7 des Ultraschallwandlers 4 befestigt. Gut zu sehen ist in 6a der Spalt 12 zwischen der Außenwand des topfförmigen Gehäuses 7 und der Innenfläche des hülsenförmigen Adapters 10.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Reduzierung der Körperschallwellen bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 ist in den Figuren 7a, 7b, 7c und 7d dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist eine äußere Zusatzhülse 14 auf einem Teilbereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters 10 angebracht. Die Zusatzhülse 14 kann aus einem Material bestehen, dessen Schallgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit des Materials des hülsenförmigen Adapters 10 verschieden ist. Hierdurch lässt sich selbst bei geringen Laufwegen der Körperschallwellen eine relativ große Phasendifferenz erhalten. Der Kantenbruch 15, der im Detail B in 7d gezeigt ist, ist so gewählt, dass die Körperschallwellen in den Zwischenbereich 16 zwischen der Zusatzhülse 14 und dem hülsenförmigem Adapter 10 gelenkt werden.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines hülsenförmigen Adapters 10, der an der Außenwand eines topfförmigen Gehäuses 7 eines Ultraschallsensors 4 befestigt ist. 8a zeigt einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung V-V in 8, und 8b zeigt eine Seitenansicht der in 8 gezeigten Ausführungsform. In den Figuren 8c, 8d und 8e sind weitere Details der bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hier ist die Außenfläche des hülsenförmigen Adapters 7 und die aufgepresste Innenfläche der Zusatzhülse 14 so ausgestaltet, dass zusätzlich zu der Aufspaltung der Laufwege und damit der Abschwächung der Körperschallwellen auf den beiden unterschiedlich langen Wegen die Körperschallwellen destruktiv miteinander interferieren.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Durchflussmessgerät
2: Medium
3: Messrohr
4: Ultraschallsensor
5: Regel-/Auswerteeinheit
6: Öffnung
7: topfförmiges Gehäuse
8: Membran
9: elektromechanisches Wandlerelement
10: hülsenförmiger Adapter
11: ringförmiger Verbindungsbereich
12: Spalt
13: Hülse
14: Zusatzhülse
15: Kantenbruch
16: Zwischenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0686255 B1 [0002]
US 4484478 [0002]
US 4598593 [0002]
WO 2005/052519 A2 [0005]
DE 102010064117 A1 [0006]
DE 1020122090082 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massendurchflusses eines fluiden Mediums (2), das eine Rohrleitung in einer Strömungsrichtung (S) durchströmt, mit einem in die Rohrleitung eingebrachten Messrohr (3), mit zumindest zwei Ultraschallsensoren (4), die jeweils in einer Öffnung der Wandung des Messrohres (3) befestigt sind, wobei die Ultraschallsensoren abwechselnd Ultraschall-Messsignale mit einer vorgegebenen Frequenz entlang eines innerhalb des Messrohres (3) verlaufenden Messpfades (MP) aussenden und empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (5), die den Volumen- und/oder den Massendurchfluss des fluiden Mediums (2) in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr (3) anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale in Strömungsrichtung (S) und entgegen der Strömungsrichtung (S) ermittelt, wobei ein Ultraschallwandler (4) ein topfförmiges Gehäuse (7) aufweist, dessen dem Medium (2) zugewandte Stirnfläche durch eine Membran (8) verschlossen ist, wobei zumindest ein elektromechanisches die Ultraschallwellen erzeugendes und empfangendes Wandlerelement (9) an der Innenfläche der Membran (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (4) mittels eines hülsenförmigen Adapters (10) in der Öffnung (6) der Wandung des Messrohres (3) angeordnet ist, wobei der hülsenförmige Adapter (10) so ausgestaltet und/oder in der Wandung befestigt ist, dass die Laufzeit von Körperschallwellen, die sich zwischen den beiden Ultraschallwandlern (4) über die Wandung des Messrohres (3) und/oder der Rohrleitung ausbreiten, von der Laufzeit der Schallwellen auf dem Messpfad (MP) verschieden ist und/oder dass die Körperschallwellen in zumindest einem vorgegebenen Frequenzbereich gedämpft werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Material, aus dem der hülsenförmige Adapter (10) gefertigt ist, eine Schallgeschwindigkeit aufweist, die von der Schallgeschwindigkeit der Körperschallwellen im Messrohr (3) und/oder in der Rohrleitung verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein ringförmiger Bereich (11) der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters (10) mit einem korrespondierenden ringförmigen Innenbereich der Öffnung (6) der Wandung des Messrohres (3) verbunden ist, wobei der ringförmige Bereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters (10) von der durch die Membran (8) verschlossenen Stirnfläche des Ultraschallsensors (4) um eine Strecke (x) in axialer Richtung beabstandet ist, die kleiner ist als die halbe Höhe des topfförmigen Gehäuses (7). (Ist das so korrekt? Bitte in Zeichnung vermerken! Vielen Dank)
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der ringförmige Verbindungsbereich (11) zwischen Adapter (10) und Öffnung (6) wulstförmig ausgestaltet ist, so dass oberhalb des ringförmigen Verbindungsbereichs (11) zwischen Adapter (10) und Öffnung (6) ein Spalt (12) einer vorgegebenen Dicke (d) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der hülsenförmige Adapter (10) – ausgehend von der durch die Membran (8) verschlossenen Stirnfläche oder von dem ringförmigen Verbindungsbereich (11) – in axialer Richtung verjüngt, so dass oberhalb des ringförmigen Verbindungsbereichs (11) zwischen Adapter (10) und Öffnung (5) ein Spalt (12) gebildet ist, dessen Dicke einen vorgegebenen Kurvenverlauf aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Zusatzhülse (13) vorgesehen ist, die im Bereich der Außenfläche des hülsenförmigen Adapters (10) angeordnet ist, wobei die Zusatzhülse (13) derart mit dem hülsenförmigen Adapter (10) oder dem topfförmigen Gehäuse (7) verbunden ist, dass zwischen der Zusatzhülse (13) und dem hülsenförmigen Adapter (10) ein Spalt (12) mit einer vorgegebenen Dicke (d) oder einem vorgegebenen Kurvenverlauf gebildet wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–6, wobei das Material, aus dem die zumindest einen Zusatzhülse (13) gefertigt ist, eine Schallgeschwindigkeit aufweist, die von der Schallgeschwindigkeit des Materials abweicht, aus dem der hülsenförmigen Adapter (10) gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenfläche des hülsenförmigen Adapters (10) und/oder die Außenfläche der Zusatzhülse (13) so gestaltet sind/ist, dass die Körperschallwellen in Amplitude und/oder Phase in einer definierten Weise geändert werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Zusatzhülse (13) so ausgestaltet ist, dass die Körperschallwellen destruktiv interferieren.