DE102016119910A1

DE102016119910A1 - Clamp-On-Ultraschallsensor zur Verwendung bei einem Ultraschall- Durchflussmessgerät und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102016119910A1
Application number: DE102016119910.9A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Sascha Grunwald
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-19
Also published as: EP3529567B1; WO2018072926A1; CN109937348A; US11035708B2; US20190257679A1; EP3529567A1; CN109937348B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Clamp-On-Ultraschallsensor (10) für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit mindestens einem erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor (10). Der Clamp-On-Ultraschallsensor (10) ist dazu eingerichtet, in einer Messrohrwandung (61) eines Messrohrs (61) des Ultraschall-Durchflussmessgeräts mindestens eine Lambwellen-Mode zu erzeugen. Um einen Einsatz des Clamp-On-Ultraschallsensor (10) an verschiedenen Messrohrtypen zu gewährleisten, weist der Clamp-On-Ultraschallsensor (10) ein austauschbares Koppelement (40) auf, welches Koppelelement an einen jeweiligen Messrohrtyp angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Clamp-On-Ultraschallsensor zur Verwendung bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr, wobei der Clamp-On-Ultraschallsensor dazu eingerichtet ist, Lambwellen-Moden in einer Messrohrwand zu erzeugen und zu erfassen, wobei die Lambwellen-Moden das Abstrahlen von Ultraschallsignalen in das Messrohr verursachen und wobei die Lambwellen-Moden durch durch das Messrohr laufende und bei der Messrohrwand eintreffende Ultraschallsignale hervorgerufen werden.
Die Erzeugung und Erfassung von Lambwellen-Moden ist bereits Stand der Technik, wie beispielsweise gezeigt in den Patentschriften US6575043B1 und US4735095B .
Jedoch ist die Effizienz der Erzeugung vom Lambwellen-Moden durch einen Clamp-On-Ultraschallsensor in einer Messrohrwand abhängig von der Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich eines durch den Clamp-On-Ultraschallsensor erzeugten Ultraschallsignals, von der geometrischen und materiellen Beschaffenheit des Messrohrs und von der geometrischen Ausgestaltung eines Kontaktbereichs zwischen Messrohr und Clamp-On-Ultraschallwandler. Das hat zur Folge, dass Clamp-On-Ultraschallsensoren, welche dazu eingerichtet sind, Lambwellen-Moden in der Messrohrwand zu erzeugen, nicht beliebig bei verschiedenen Messrohren eingesetzt werden können. Jeder Messrohrtyp benötigt einen speziell angepassten Clamp-On-Ultraschallsensor, um eine hohe Effizienz zu ermöglichen
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen effizient koppelnden Clamp-On-Ultraschallsensor vorzuschlagen, welcher insbesonders flexibel an unterschiedlichen Messrohrtypen eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird gelöst durch einen Clamp-On-Ultraschallsensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, sowie durch Ultraschall-Durchflussmessgeräte gemäß der unabhängigen Ansprüche 13 und 15.
Der erfindungsgemäße Clamp-On-Ultraschallsensor zur Verwendung bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr, umfasst
mindestens ein Wandlerelement zum Erzeugen und/oder Detektieren von Ultraschallsignalen;
und mindestens einen akustischen Übertrager, welcher dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsignale zwischen einer Messrohrwandung und Wandlerelement in der Weise zu übertragen, dass ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung als mindestens eine Lambwellen-Mode ausgebildet ist,
wobei ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung als mindestens eine Lambwellen-Mode ausgebildet ist,
wobei der akustische Übertrager auf einer zum Messrohr gewandten Seite eine geometrische Struktur aufweist, welche dazu eingerichtet ist,
ein Ultraschallsignal im Übertrager in ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung zu wandeln und/oder
ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung in ein Ultraschallsignal im Übertrager zu wandeln,
wobei der akustische Übertrager mindestens einen Ultraschallsignalleiter und mindestens ein Koppelelement aufweist,
wobei der Ultraschallsignalleiter und das Koppelement lösbar mechanisch verbunden sind,
und wobei der Ultraschallsignalleiter mit dem Wandlerelement akustisch gekoppelt ist,
und wobei das Koppelelement die geometrische Struktur aufweist und dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr akustisch gekoppelt zu werden.
Das Wandlerelement ist somit austauschbar, der Clamp-On-Ultraschallsensor kann für den Einsatz an unterschiedlichen Messrohren und für die Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien unterschiedlicher akustischer Impedanz und damit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit angepasst werden.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors umfasst der Clamp-On-Ultraschallsensor des Weiteren ein Gehäuse mit mindestens einer Gehäusekammer, in welcher Gehäusekammer das Wandlerelement angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors umfasst der Clamp-On-Ultraschallsensor des Weiteren eine Haltevorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das Gehäuse beziehungsweise das Wandlerelement am Messrohr lösbar zu befestigen.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors weist die geometrische Struktur mindestens zwei Vorsprünge auf, wobei in Richtung einer Messrohrachse benachbarte Vorsprünge einen Abstand zueinander aufweisen, welcher Abstand hinsichtlich des Wellenlängenbereichs der Ultraschallsignale und/oder hinsichtlich der Messrohrgeometrie und/oder der Materialbeschaffenheit des Messrohrs zur Verbesserung der Koppeleigenschaften des Koppelelements optimiert ist. Ein Lambwellen-Mode in der Messrohrwand ist durch räumlich verteilte Schwingungsmaxima und Schwingungsminima der Messrohrwand charakterisiert. Für eine optimale Anregung eines Lambwellen-Modes müssen die Abstände zwischen den Vorsprüngen den Abständen der Schwingungsmaxima entsprechen.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors weist das Koppelelement eine Grundfläche und eine Höhe auf, wobei das Quadrat der Höhe kleiner als 10% der Grundfläche ist, wobei das Quadrat der Höhe insbesondere kleiner als 5% der Grundfläche ist, und wobei das Quadrat der Höhe insbesondere kleiner als 2% der Grundfläche ist. Das Koppelelement ist somit im Wesentlichen scheibenförmig. Die Grundfläche ist gegeben durch die maximale orthogonale Projektion des Koppelelements auf eine Ebene, die Höhe ist gegeben durch die maximale Erstreckung senkrecht dazu.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors folgt der Kontaktbereich zwischen der geometrischen Struktur und dem Messrohr im Wesentlichen einer Geraden. Das folgt daraus, dass eine bis auf die Aussparungen ebene Kontaktfläche des Koppelelements auf der zylindrischen Mantelfläche des Messrohrs aufliegt.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors ist zwischen dem Koppelelement und dem Messrohr und/oder zwischen dem Koppelement und dem Ultraschallsignalleiter und/oder zwischen dem Wandlerelement und dem Ultraschallsignalleiter jeweils eine Schicht angeordnet, welche eine angepasste Übertragungsfunktion für das Ultraschallsignal aufweist. Die Schicht kann beispielsweise durch Impedanzanpassung die Transmission eines Ultraschallsignals zwischen den jeweiligen Elementen erhöhen.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors ist das Koppelelement am Gehäuse und/oder an der Haltevorrichtung ausrichtbar. Beispielsweise kann das Koppelement mindestens eine Nut aufweisen, in welche eine Nase des Gehäuses bzw. der Haltevorrichtung hineingreift.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors ist das Gehäuse an der Haltevorrichtung ausrichtbar. Das kann über eine Nut und eine Nase erfolgen, oder über einen elastischen Einrastmechanismus.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors verursacht ein Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist, welche Abstrahlrichtung einen Winkel (β) kleiner als 90° und insbesondere kleiner als 70° und bevorzugt kleiner als 60° zur Messrohrachse aufweist.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors ist das Koppelelement am Ultraschallsignalleiter befestigbar und wechselbar; und wobei eine Befestigung mindestens ein Element aus der folgenden Liste umfasst:
Klettverbindung, lösbare Klebverbindung, Flügelmutter mit Schraubverbindung, Schnappverbindung, Rändelmutter mit Schraubverbindung, Klemmverbindung, Fettverbindung oder Silikonfilm basierend auf Adhäsionskraft, Magnetverbindung.
Durch eine einfache Auswechselbarkeit des Koppelelements wird der Einsatz des Clamp-On-Ultraschallsensors an verschiedenen Messrohrtypen ermöglicht, da nur ein an den jeweiligen Messrohrtyp angepasstes Koppelelement ausgewählt und in den Clamp-On-Ultraschallsensor eingesetzt werden muss.
In einer Ausgestaltung des Clamp-On-Ultraschallsensors ist mindestens ein Element aus folgender Liste gegen Manipulation versiegelbar:

akustischer Übertrager, Wandlerelement, Gehäuse, Haltevorrichtung.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr nach dem Laufzeitdifferenzen-Messprinzip umfasst ein Messrohr mit einer Messrohrachse;

zwei erfindungsgemäße Clamp-On-Ultraschallsensoren nach mindestens einem der welche am Messrohr angeordnet sind;
und eine Mess-/Betriebselektronik, welche dazu eingerichtet ist, die Clamp-On-Ultraschallsensoren zu betreiben.

In einer Ausgestaltung des Ultraschall-Durchflussmessgeräts ist ein erster Clamp-On-Ultraschallsensor gegenüber einem zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor entlang einer Messrohrachse versetzt angeordnet,
wobei in einem ersten/zweiten Bereich der Messrohrwandung das Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung durch den ersten/zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr verursacht, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist,
wobei eine erste Abstrahlrichtung des ersten Bereichs zum zweiten Bereich gerichtet ist, und wobei eine erste Abstrahlrichtung des zweiten Bereichs zum ersten Bereich gerichtet ist,
wobei ein Signalpfad zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich mindestens eine Messrohrtraverse aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr nach dem Doppler-Messprinzip umfasst ein Messrohr mit einer Messrohrachse;
mindestens einen erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor, welcher am Messrohr angeordnet ist;
und eine Mess-/Betriebselektronik, welche dazu eingerichtet ist, den Clamp-On-Ultraschallsensor zu betreiben,
wobei in einem dritten Bereich der Messrohrwandung das Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung durch den Clamp-On-Ultraschallsensor eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr verursacht, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
Ein erfindungsgemäßer Clamp-On-Ultraschallsensor weist üblicherweise zwei Abstrahlrichtungen auf, welche im Wesentlichen symmetrisch um eine senkrecht zur Messrohrachse verlaufenden Linie angeordnet sind. Bei den erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräten, welche nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip arbeiten, werden nur die Ultraschallsignale einer Abstrahlrichtung eines Clamp-On-Ultraschallsensors zur Durchflussmessung verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensors.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensors.
3 zeigt drei Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Koppelelements 40, wobei 3 a) eine Aufsicht auf eine geometrische Struktur des Koppelelements 40 zeigt, wobei 3 b) eine Seitenansicht auf das Koppelelement zeigt, und wobei 3 c) eine Aufsicht auf einer der in 3 a) gezeigten geometrischen Struktur gegenüberliegenden Seite zeigt.
4 zkizziert schematisch die Abstrahlung eines Ultraschallsignals in das Messrohr.
5 zeigt ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit zwei erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensoren, welches nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip arbeitet.
6 zeigt ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor, welches nach dem Dopplerprinzip arbeitet.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor 10, welcher ein Wandlerelement 20, einen Ultraschallsignalleiter 30, ein Koppelelement 40 und eine Haltevorrichtung 50 aufweist, wobei die Haltevorrichtung 50 dazu eingerichtet ist, das Wandlerelement, den Ultraschallsignalleiter und das Koppelelement an einer Messrohrwand 61 eines Messrohrs 60 zu befestigen. Das Wandlerelement ist dazu eingerichtet, zwischen elektrischen Signalen und Ultraschallsignalen zu wandeln. Das Wandlerelement kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element sein. Ein vom Wandlerelement erzeugtes Ultraschallsignal wird in den Ultraschallsignalleiter 30 eingekoppelt und läuft zum Koppelelement 40, wo es über eine Grenzfläche Koppelelement - Messrohrwand mittels des Koppelelements mindestens eine Lambwellen-Mode in der Messrohrwand ausbildet, welche Lambwellen-Mode die Abstrahlung des Ultraschallsignals in das Messrohr 60 verursacht. Umgekehrt wird eine durch ein das Messrohr durchlaufendes Ultraschallsignal erzeugte Lambwellen-Mode über das Koppelelement in den Ultraschallsignalleiter eingekoppelt, welcher Ultraschallsignalleiter 30 das Ultraschallsignal zum Wandlerelement 20 leitet, welches Wandlerelement das Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal wandelt. Die Haltevorrichtung 50 kann beispielsweise einen mit der Messrohrwand in Kontakt stehenden Fuß aufweisen, so dass der Clamp-On-Ultraschallwandler mittels eines um das Messrohr 60 gelegten Spannbandes am Messrohr befestigt werden kann. Das Koppelelement 40 und/oder der Ultraschallsignalleiter 30 können jeweils mindestens eine Nut (nicht gezeigt) aufweisen, so dass das Koppelelement bzw. der Ultraschallsignalleiter über mindestens eine Nase der Haltevorrichtung (nicht gezeigt) ausgerichtet werden kann.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor 10, wobei der Clamp-On-Ultraschallsensor zuzüglich zum in 1 gezeigten Clamp-On-Ultraschallsensor 10 ein Gehäuse 70 mit einer Gehäusekammer 71 aufweist, in welcher Gehäusekammer 71 das Wandlerelement 20, der Ultraschallsignalleiter 30 sowie das Koppelelement 40 angeordnet sind und durch das Gehäuse 70 vollständig von der Umgebung abschirmt werden, so dass elektrische Störsignale aus der Umgebung keinen Einfluss auf den Ultraschallsensor 10 haben. Im Gegensatz zu den in 1 gezeigten Clamp-On-Ultraschallsensor kann hier das Gehäuse mindestens eine Nase (nicht gezeigt) aufweisen, über welche Nase das Koppelelement 40 und/oder der Ultraschallsignalleiter 30 über eine Nut (nicht gezeigt) ausrichtbar sind. Wie in 2 gezeigt, kann ein Federmechanismus 72 dazu eingerichtet sein, den Ultraschallsignalleiter 30 und das Koppelelement 40 gegenüber dem Gehäuse 70 gegen die Messrohrwand 61 zu drücken. Der in 1 und in 2 gezeigte Ultraschallsignalleiter 30 kann dabei aus einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt sein.
3 zeigt drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Koppelelements 40, wobei 3 a) eine Aufsicht auf Vorsprünge 41 einer geometrischen Struktur zeigt, und wobei 3 b) eine Seitenansicht des Koppelelements 40 zeigt, und wobei 3 c) einer Aufsicht auf eine der den Vorsprüngen 41 gegenüberliegenden Seite 43 des Koppelelements zeigt, welche Seite 43 akustisch mit dem Ultraschallsignalleiter gekoppelt ist. In die Seite 43 können Eingriffsmittel 42 eingebracht sein, über welche sich das Koppelelement anhand von mindestens einem dazu komplementären Eingriffsmittel des Gehäuses 70 oder der Haltevorrichtung 50 ausrichten lässt. Die Breiten der Vorsprünge 41 entlang einer Messrohrachse sowie deren Abstände zueinander entlang der Messrohrachse ist an Messrohreigenschaften wie beispielsweise Durchmesser, Wandstärke oder Materialbeschaffenheit angepasst, so dass in einem Arbeitswellenlängenbereich des Clamp-On-Ultraschallsensors eine effiziente Überleitung des Ultraschallsignals zwischen Koppelelement 40 und Messrohrwand 61 sichergestellt ist. Die Abstände der Vorsprünge entsprechen dabei idealerweise den Abständen von Schwingungsmaxima einer Lambwellen-Mode in der Messrohrwand 61 oder ganzzahligen Vielfachen der Abstände. Das Koppelelement kann dabei aus einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt sein.
4 skizziert schematisch die Abstrahlung des Ultraschallsignals in das Messrohr 60, wobei in einem ersten Bereich 13 der Messrohrwand durch das Koppelelement 40 mindestens eine Lambwellen-Mode ausgebildet bzw. angeregt wird. Die Anregung einer Lambwellenmode an zumindest zwei Stellen sorgt für eine Abstrahlung des Ultraschalsignals in eine Hauptabstrahlrichtung R0 senkrecht zur Messrohrwand und in mindestens zwei symmetrisch um die Hauptabstrahlrichtung angeordneten Nebenabstrahlrichtungen R1.1 und R1.2 erster Ordnung. Je nach akustischer Impedanz des Mediums und des Messrohrs können ähnlich wie bei der Beugung eines Laserstrahls an einem optischen Gitter auch weitere Nebenabstrahlrichtungen höherer Ordnungen auftreten (nicht skizziert). Zur Durchflussmessung nach dem Laufzeit- bzw. Laufzeitdifferenzen- bzw. Dopplerprinzip ist die Verwendung eines in eine Nebenabstrahlrichtung abgestrahlten Ultraschallsignalanteils notwendig. Da die Ultraschallsignalanteile, welche in Richtung der Nebenabstrahlrichtungen erster Ordnung R1.1 und R1.2 abgestrahlt werden, im Vergleich zu Ultraschallsignalanteilen, welche in Nebenabstrahlrichtungen höherer Ordnung abgestrahlt werden, höhere Intensität aufweisen, ist es von Vorteil, zur Durchflussmessung zumindest ein Ultraschallsignalanteil zu verwenden, welcher in eine der Nebenabstrahlrichtungen erster Ordnung abgestrahlt wird. Der Ultraschallsignalanteil, welcher in die Hauptabstrahlrichtung R0 abgestrahlt und an einer gegenüberliegenden Messrohrwand reflektiert wird, kann für eine Schallgeschwindigkeitsmessung verwendet werden.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 100, welches nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip arbeitet, mit einem ersten erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor 11 und einem zweiten erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor 12, welcher auf einer gleichen oder einer zum ersten Clamp-On-Ultraschallsensor 11 gegenüberliegenden Messrohrseite angeordnet sein kann, wobei in 4 beide Positioniermöglichkeiten dargestellt sind. Der erste Clamp-On-Ultraschallsensor ist gegenüber dem zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor 12 entlang einer Messrohrachse versetzt angeordnet, so dass ein zwischen beiden Clamp-On-Ultraschallsensoren laufendes Ultraschallsignal in oder gegen eine Strömungsrichtung eines durch das Messrohr strömenden Mediums läuft. Ein vom Wandlerelement des ersten Clamp-On-Ultraschallsensors 11 erzeugtes Ultraschallsignal regt die Ausbildung mindestens einer Lambwellen-Mode in dem ersten Bereich 13 der Messrohrwand des Messrohrs 60 an, was die Aussendung des Ultraschallsignals in das Messrohr 60 zur Folge hat. Nach Durchlaufen des Messrohrs entlang eines Signalpfads 15 regt das Ultraschallsignal in einem zweiten Bereich 14 der Messrohrwand die Ausbildung mindestens einer Lambwellen-Mode an, wodurch das Ultraschallsignal vom zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor 12 aufgenommen und zum Wandlerelement 10 des zweiten Clamp-On-Ultraschallsensors geleitet wird. Der Signalpfad 15 des Ultraschallsignals im Messrohr weist mindestens eine Messrohrtraverse auf, wobei eine ungeradzahlige Traversenzahl im Falle eines auf der dem ersten Ultraschallsensor 11 gegenüberliegenden Seite angeordneten zweiten Ultraschallwandlers 12 beispielsweise an den Positionen P1 und P3 vorliegt, und wobei eine geradzahlige Traversenzahl im Falle eines auf der Seite des ersten Ultraschallsensors 11 angeordneten zweiten Ultraschallwandlers 12 beispielsweise an der Position P2 vorliegt. Der Signalpfad 15 muss dabei nicht auf drei Traversen beschränkt sein, so dass weitere Positionen des zweiten Ultraschallwandlers möglich sind.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 100, welches nach dem Dopplerprinzip arbeitet, mit einem ersten erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor 11. Ein vom Wandlerelement des ersten Clamp-On-Ultraschallsensors 11 erzeugtes Ultraschallsignal regt die Ausbildung mindestens einer Lambwellen-Mode in einem ersten Bereich 13 der Messrohrwand des Messrohrs 60 an, was die Aussendung des Ultraschallsignals in das Messrohr 60 zur Folge hat, wobei ein erster Ultraschallsignalanteil in die Nebenabstrahlrichtung R1.1 und ein zweiter Ultraschallsignalanteil in die Nebenabstrahlrichtung R1.2 abgestrahlt wird. Ein Fremdkörper FK im durch das Messrohr strömenden Medium, welcher vom Ultraschallsignal erfasst wird, verursacht eine Ultraschallsignalreflektion zurück in den ersten Bereich 13 und regt dort eine erneute Ausbildung einer Lambwellen-Mode an, wodurch das reflektierte Ultraschallsignal vom ersten Clamp-On-Ultraschallsensor 11 aufgenommen und zum Wandlerelement des ersten Clamp-On-Ultraschallsensors geleitet wird. Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Fremdkörpers im Medium erfährt das reflektierte Ultraschallsignal eine strömungsgeschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung, wobei die Frequenzverschiebung in Richtung höherer Frequenzen im Falle eines auf den ersten Clamp-On-Ultraschallsensor 11 zuströmenden Fremdkörpers ist, und wobei die Frequenzverschiebung in Richtung tieferer Frequenzen im Falle eines vom ersten Clamp-On-Ultraschallsensor 11 wegströmenden Fremdkörpers ist. Ein in die Hauptabstrahlrichtung R0 abgestrahlter Ultraschallsignalanteil ist nicht skizziert.
Bezugszeichenliste

10: Clamp-On-Ultraschallsensor
11: erster Clamp-On-Ultraschallsensor
12: zweiter Clamp-On-Ultraschallsensor
13: erster Bereich
14: zweiter Bereich
15: Signalpfad
20: Wandlerelement
30: Ultraschallsignalleiter
40: Koppelelement
41: Vorsprung der geometrischen Struktur
42: Eingriffsmittel
50: Haltevorrichtung
60: Messrohr
61: Messrohrwand
62: Messrohrachse
70: Gehäuse
71: Gehäusekammer
72: Federmechanismus
100: Ultraschall-Durchflussmessgerät
R0: Hauptabstrahlrichtung
R1.1 / R1.2: Nebenabstrahlrichtungen erster Ordnung.
FK: Fremdkörper
β: Abstrahlwinkel
F: Flussrichtung des Mediums

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

US 6575043 B1 [0002]
US 4735095 B [0002]

Claims

Clamp-On-Ultraschallsensor (10) zur Verwendung bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses von Medien in einem Messrohr (60), umfassend: mindestens ein Wandlerelement (20) zum Erzeugen und/oder Detektieren von Ultraschallsignalen; und mindestens einen akustischen Übertrager, welcher dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsignale zwischen einer Messrohrwandung (61) und Wandlerelement (20) in der Weise zu übertragen, dass ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung (61) als mindestens eine Lambwellen-Mode ausgebildet ist, wobei der akustische Übertrager auf einer zum Messrohr (60) gewandten Seite eine geometrische Struktur aufweist, welche dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal im Übertrager in ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung (61) zu wandeln und/oder ein Ultraschallsignal in der Messrohrwandung (61) in ein Ultraschallsignal im Übertrager zu wandeln dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Übertrager mindestens einen Ultraschallsignalleiter (30) und mindestens ein Koppelelement (40) aufweist, wobei der Ultraschallsignalleiter (30) und das Koppelement (40) lösbar mechanisch verbunden sind, und wobei der Ultraschallsignalleiter (30) mit dem Wandlerelement (20) akustisch gekoppelt ist, und wobei das Koppelelement (40) die geometrische Struktur aufweist und dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr (60) akustisch gekoppelt zu werden.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei der Clamp-On-Ultraschallsensor des Weiteren umfasst: ein Gehäuse (70) mit mindestens einer Gehäusekammer (71), in welcher Gehäusekammer (71) das Wandlerelement (20) angeordnet ist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Clamp-On-Ultraschallsensor des Weiteren umfasst: eine Haltevorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das Gehäuse (70) beziehungsweise das Wandlerelement (20) am Messrohr (60) lösbar zu befestigen.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei die geometrische Struktur mindestens zwei Vorsprünge (41) aufweist, wobei in Richtung einer Messrohrachse (62) benachbarte Vorsprünge einen Abstand zueinander aufweisen, welcher Abstand hinsichtlich des Wellenlängenbereichs der Ultraschallsignale und/oder hinsichtlich der Messrohrgeometrie und/oder der Materialbeschaffenheit des Messrohrs (60) zur Verbesserung der Koppeleigenschaften des Koppelelements (40) optimiert ist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (40) eine Grundfläche und eine Höhe aufweist, wobei das Quadrat der Höhe kleiner als 10% der Grundfläche ist, wobei das Quadrat der Höhe insbesondere kleiner als 5% der Grundfläche ist, und wobei das Quadrat der Höhe insbesondere kleiner als 2% der Grundfläche ist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kontaktbereich zwischen der geometrischen Struktur und dem Messrohr (60) im Wesentlichen einer Geraden folgt.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen dem Koppelelement (40) und dem Messrohr (60) und/oder zwischen dem Koppelement und dem Ultraschallsignalleiter (30) und/oder zwischen dem Wandlerelement (20) und dem Ultraschallsignalleiter (30) jeweils eine Schicht angeordnet ist, welche eine angepasste Übertragungsfunktion für das Ultraschallsignal aufweist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (40) am Gehäuse (70) und/oder an der Haltevorrichtung ausrichtbar ist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (70) an der Haltevorrichtung ausrichtbar ist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung (61) eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr verursacht, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist, welche Abstrahlrichtung einen Winkel (β) kleiner als 90° und insbesondere kleiner als 70° und bevorzugt kleiner als 60° zur Messrohrachse (62) aufweist.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (40) am Ultraschallsignalleiter (30) befestigbar und wechselbar ist; und wobei eine Befestigung mindestens ein Element aus der folgenden Liste umfasst: Klettverbindung, lösbare Klebverbindung, Flügelmutter mit Schraubverbindung, Schnappverbindung, Rändelmutter mit Schraubverbindung, Fettverbindung oder Silikonfilm basierend auf Adhäsionskraft, Magnetverbindung.
Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens ein Element aus folgender Liste gegen Manipulation versiegelbar ist: akustischer Übertrager, Wandlerelement (20), Gehäuse (70), Haltevorrichtung, Spannband, Kabel.
Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr (60) nach dem Laufzeitdifferenzen-Messprinzip, umfassend: ein Messrohr (60) mit einer Messrohrachse (62); zwei erfindungsgemäße Clamp-On-Ultraschallsensoren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, welche am Messrohr (60) angeordnet sind; und eine Mess-/Betriebselektronik, welche dazu eingerichtet ist, die Clamp-On-Ultraschallsensoren zu betreiben.
Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 13, wobei ein erster Clamp-On-Ultraschallsensor (11) gegenüber mindestens einem zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor (12) entlang der Messrohrachse (62) versetzt angeordnet ist, wobei in einem ersten/zweiten Bereich (13, 14) der Messrohrwandung (61) das Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung (61) durch den ersten/zweiten Clamp-On-Ultraschallsensor (11, 12) eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr (60) verursacht, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist, wobei eine erste Abstrahlrichtung des ersten Bereichs (13) zum zweiten Bereich (14) gerichtet ist, und wobei eine erste Abstrahlrichtung des zweiten Bereichs zum ersten Bereich gerichtet ist, wobei ein Signalpfad zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich mindestens eine Messrohrtraverse aufweist.
Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einem Messrohr (60) nach dem Doppler-Messprinzip, umfassend: ein Messrohr (60) mit einer Messrohrachse (62); mindestens einen erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, welcher am Messrohr (60) angeordnet ist; und eine Mess-/Betriebselektronik, welche dazu eingerichtet ist, den Clamp-On-Ultraschallsensor zu betreiben, wobei in einem ersten Bereich der Messrohrwandung (61) das Erzeugen der mindestens einen Lambwellen-Mode in der Messrohrwandung (61) durch den Clamp-On-Ultraschallsensor eine Ultraschallsignalabstrahlung in das Messrohr (60) verursacht, wobei die Abstrahlung mindestens eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.