DE102017006173A1

DE102017006173A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße

Info

Publication number: DE102017006173A1
Application number: DE102017006173.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Ploss; Michael Mayle
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03
Also published as: US20200103263A1; WO2019001761A1; CN110799809A; EP3645982A1

Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem ersten und einem zweiten an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15), wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) führbar und dort zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist, wobei- entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils ein Schwingelement (16) umfassen, das in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (17, 18) des Schwingelements (16) mit dem Messrohr (3) oder mit einer zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordneten Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist,- oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, die in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (41, 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr (3) gekoppelten Tragstruktur (19, 32, 43) mit dem Messrohr (3) oder der Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung, einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr und einem ersten und einem zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr angeordneten Ultraschallwandler, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler führbar und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße.
Eine Möglichkeit, einen Durchfluss durch ein Messrohr zu messen, sind Ultraschallzähler. Bei diesen wird wenigstens ein Ultraschallwandler genutzt, um eine Ultraschallwelle in das durch das Messrohr strömende Fluid einzukoppeln, wobei diese auf einem geraden Weg oder nach mehreren Reflexionen an Wänden oder speziellen Reflektorelementen zu einem zweiten Ultraschallwandler geführt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern bzw. aus einem Laufzeitunterschied bei einer Vertauschung von Sender und Empfänger kann eine Durchflussgeschwindigkeit durch das Messrohr bestimmt werden.
Die Druckschrift US 4 735 097 A schlägt vor, zur Vereinfachung des Messaufbaus Ultraschallwandler zu nutzen, die außenseitig an dem Messrohr befestigt werden. Diese werden genutzt, um geführte Wellen im Messrohr zu induzieren, wodurch eine geringere Genauigkeit bei der Anordnung der Ultraschallwandler am Messrohr erforderlich ist. Zur Einkopplung der geführten Wellen wird ein keilförmiges Element genutzt, dessen längste Seite auf die Rohrwand gepresst wird und an dessen kürzester Seite ein Piezoelement angeordnet ist. Dieses wird in Schwingungen versetzt, um über das keilförmige Element eine geführte Welle in der Rohrwand zu induzieren. Nachteilig hierbei ist, dass der genutzte Messaufbau relativ komplex und großbauend ist. Er ist somit in vielen Messsituationen, in denen eine Durchflussmessung gewünscht ist, nicht oder nur mit hohem Aufwand nutzbar. Zudem wird aufgrund der Nutzung des zusätzlichen keilförmigen Elements nur ein geringer Wirkungsgrad der Schwingungseinkopplung erreicht, womit das anregende Piezoelement relativ großdimensioniert werden muss.
Aus dem Artikel G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces", J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002, ist es bekannt, zur Anregung von geführten Wellen sogenannte Interdigitaltransducer zu nutzen, bei denen ein piezoelektrisches Element genutzt wird, das kammartig ineinandergreifende Steuerleitungen aufweist, um eine Anregung bestimmter Anregungsmoden geführter Wellen zu erreichen. Da notwendigerweise Scher-Moden des piezoelektrischen Elements angeregt werden, werden typischerweise keine hohen Wirkungsgrade der Anregung erreicht. Zudem ist eine relativ aufwändige, hochgenaue Lithographie erforderlich, um die erforderliche Elektrodenstruktur mit ausreichender Exaktheit aufzubringen, wobei häufig dennoch keine ausreichende Modenreinheit der Anregung erreicht wird.
Eine Anregung einer modenreinen geführten Welle ist jedoch für eine Nutzung in einem Ultraschallzähler hochrelevant, da der Winkel, in dem Kompressionsschwingungen in das Fluid abgestrahlt werden, von der Phasengeschwindigkeit der geführten Welle abhängt, die typischerweise in unterschiedlichen Anregungsmoden bei gleicher angeregter Frequenz unterschiedlich ist. Werden somit verschiedene Moden angeregt, so resultieren verschiedene Ausbreitungspfade für die Kompressionsschwingungen im Fluid, die allenfalls durch eine aufwändige Signalauswertung herausgerechnet werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die geführte Wellen zur Messung nutzt, wobei ein geringer Bauraumbedarf und ein einfacher Aufbau realisiert werden sollen und vorzugsweise eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erreicht werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei

- entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils ein Schwingelement umfassen, das, insbesondere ausschließlich, in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen des Schwingelements mit dem Messrohr oder mit einer zwischen dem Messrohr und dem Schwingelement angeordneten Tragstruktur gekoppelt ist,
- oder wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils mehrere Schwingelemente umfassen, die, insbesondere ausschließlich, in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen des Messrohres oder einer mit dem Messrohr verbundenen Tragstruktur mit dem Messrohr oder der Tragstruktur gekoppelt sind.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Schwingelement nur in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen direkt oder indirekt mit dem Messrohr zu koppeln oder mehrere Schwingelemente zu nutzen, um es oder die Tragstruktur in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen anzuregen. In beiden Fällen resultiert eine lokal inhomogene Anregung des Messrohrs bzw. jener Seitenwand, die die geführte Welle führen soll. Eine derart inhomogene Anregung kann genutzt werden, um gezielt bestimmte Schwingungsmoden der Seitenwand bzw. des Messrohres, insbesondere Schwingungsmoden von Lamb- oder Rayleigh-Wellen, mit hoher Modenreinheit anzuregen. Dies kann erreicht werden, indem das genutzte Anregungsmuster auf eine Wellenlänge einer anzuregenden geführten Welle abgestimmt wird.
Da eine modenreine Anregung durch Wahl einer entsprechenden Anordnung der Kontaktbereiche realisiert wird, ist die Wellenlänge der Schwingung des Schwingelements nicht relevant bzw. nur wenig relevant für die erreichbare Modenreinheit. Es ist somit für eine Anregung einer geführten Welle mit einer hohen Modenreinheit ausschließlich erforderlich, die Anregungsfrequenz auf die Wellenlänge der zu generierenden geführten Welle bzw. die Anordnung der Kontaktbereiche abzustimmen. Es kann somit eine Schwingungsform des Schwingelements bzw. der Schwingelemente gewählt werden, die eine möglichst gute Einkopplung der Schwingungsenergie in die Seitenwand ermöglicht. Vorzugsweise wird eine Kontraktions- bzw. Expansionsschwingung senkrecht zur Seitenwand genutzt. Diese kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Schwingelement bzw. jedes Schwingelement zwei gegenüberliegende Elektroden aufweist, wobei eine der Elektroden an einer messrohrseitigen Seite des jeweiligen Schwingelements und die andere auf einer gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Es kann jedoch auch eine erste Elektrode an einer ersten Seitenfläche angeordnet sein und eine zweite Elektrode kann überwiegend an der gegenüberliegenden Seitenfläche angeordnet sein, jedoch das Schwingelement umgreifen und mit einem relativ kurzen Kontaktabschnitt an der ersten Seitenfläche anliegen. Dies kann eine einfache Kontaktierung einer Elektrode ermöglichen, die primär an einer dem Messrohr zugewandten Seite des Schwingelements angeordnet ist. Das Schwingelement bzw. alle Schwingelemente können insbesondere aus Piezokeramik gebildet sein und wenigstens zwei Elektroden aufweisen, die vorzugsweise wie oben erläutert angeordnet sind. Insbesondere kann das Schwingelement oder jedes Schwingelement quaderförmig sein und zwei Seitenflächen aufweisen, die parallel zu der Seitenwand bzw. wenigstens der Außenfläche der Seitenwand verlaufen.
Es können Messungen an einer durch das Messrohr strömenden Fluidströmung, jedoch auch an einem im Messrohr stehenden Fluid durchgeführt werden. Die Messeinrichtung kann auch mehr als zwei Schwingungswandler aufweisen. Beispielsweise kann eine durch einen ersten Schwingungswandler ausgesandte Schwingung durch mehrere zweite Schwingungswandler erfasst werden, um z.B. unterschiedliche Ausbreitungspfade zu berücksichtigen oder Messdaten zu validieren.
Die Nutzung eines Schwingungstransports zur Erfassung von Fluideigenschaften ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden in Ultraschallzählern häufig Laufzeitunterschiede einer Laufzeit einer Schwingung zwischen einem ersten und einem zweiten Ultraschallwandler und umgekehrt erfasst und hieraus kann eine Flussgeschwindigkeit bestimmt werden. Es können jedoch auch andere Messdaten ausgewertet werden, um Fluideigenschaften zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Signalamplitude am empfangenden Schwingungswandler ausgewertet werden, um eine Dämpfung der Schwingung beim Transport durch das Fluid zu erfassen. Amplituden können auch frequenzabhängig ausgewertet werden und es können absolute oder relative Amplituden bestimmter Spektralbereiche ausgewertet werden, um ein spektral unterschiedliches Dämpfungsverhalten im Fluid zu erfassen. Auch Phasenlagen unterschiedlicher Frequenzbänder können ausgewertet werden, um beispielsweise Informationen über die Dispersionsrelation im Fluid zu gewinnen. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung bzw. der Amplitude über die Zeit, beispielsweise innerhalb eines Messpulses, ausgewertet werden.
Durch Auswertung dieser Größen können als Fluidgrößen beispielsweise eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen und/oder eine Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Fluids ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ kann beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit im Fluid und/oder eine Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise ein Mischungsverhältnis unterschiedlicher Komponenten, ermittelt werden. Verschiedene Ansätze zur Gewinnung dieser Fluidgrößen aus den vorangehend erläuterten Messgrößen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert dargestellt werden. Beispielsweise können Zusammenhänge zwischen einer oder mehreren Messgrößen und der Fluidgröße empirisch ermittelt werden und es kann beispielsweise eine Look-Up-Tabelle oder eine entsprechende Formel genutzt werden, um die Fluidgröße zu ermitteln.
Die Kopplung des Schwingelements an das Messrohr kann direkt oder indirekt erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung über die Tragstruktur und/oder über wenigstens eine viskose Zwischenschicht. Ebenso kann die Tragstruktur direkt oder indirekt mit dem Messrohr bzw. dem Schwingelement gekoppelt sein, vorzugsweise über eine viskose Zwischenschicht. Das Schwingelement kann z. B. ein piezoelektrisches Schwingelement, ein elektromagnetischer Schallwandler, ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler oder ein elektroaktives Polymer sein.
Die Tragstruktur kann separat von dem Messrohr ausgebildet sein. Eine akustische Impedanz der Tragstruktur kann derart gewählt werden, dass sie zwischen der akustischen Impedanz des Schwingelements und der akustischen Impedanz der Seitenwand liegt, wodurch Reflexionen an den Übergangsflächen reduziert werden können und eine effizientere Schwingungseinkopplung erreicht werden kann.
Die Tragstruktur kann beispielsweise durch Fräsen, Laserschneiden, Stanzen, Spritzguss oder Ähnliches hergestellt werden. Die Tragstruktur kann beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein.
Die Tragstruktur kann aus einem gefüllten Kunststoff gebildet sein. Bei diesen sind Partikel, z. B. Metallpartikel, in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Durch Wahl der Partikel und/oder der Partikelkonzentration kann die akustische Impedanz der Tragstruktur angepasst werden.
Soll das Schwingelement oder sollen die Schwingelemente direkt oder über eine viskose Zwischenschicht ohne separate Tragstruktur mit dem Messrohr gekoppelt werden, so ist es möglich, die dem Schwingelement bzw. dem jeweiligen Schwingelement zugewandte Oberfläche der Seitenwand derart zu formen, dass das Schwingelement oder die Schwingelemente nur in den Kontaktbereichen mit dem Messrohr gekoppelt ist oder sind. Beispielsweise können hierfür Vorsprünge oder Ausnehmungen an der Seitenwand vorgesehen sein.
Werden mehrere Schwingelemente genutzt, werden diese vorzugsweise gemeinsam angesteuert. Beispielsweise kann das gleiche Ansteuersignal von der Steuereinrichtung den Elektroden der verschiedenen Schwingelemente zugeführt werden. Die Schwingelemente können parallel geschaltet sein bzw. alle ihre messrohrseitigen Elektroden können leitend verbunden sein und/oder alle ihre messrohrabgewandten Elektroden können leitend verbunden sein. Vorzugsweise führen die Schwingelemente gemeinsam die gleiche Schwingbewegung durch.
Der Abstand zwischen den Mitten wenigstens zweier Kontaktbereiche des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der geführten Welle entsprechen. Beispielsweise kann der Abstand gleich der Wellenlänge, doppelt so groß wie die Wellenlänge, usw. sein. Wird beispielsweise eine geführte Welle mit einer Wellenlänge von 1,8 mm angeregt, können die Mitten der Kontaktbereiche 1,8 mm, 3,6 mm, 5,4 mm, etc. voneinander beabstandet sein.
Die Wellenlänge der geführten Welle kann durch die Eigenschaften der Messeinrichtung fest vorgegeben sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung das Schwingelement oder die Schwingelemente derart ansteuern, dass diese mit einer definierten Frequenz schwingen, wobei die Frequenz der geführten Welle der Frequenz der Schwingung der Schwingelemente entsprechen kann. Ist die Messeinrichtung konstruktiv derart ausgebildet, dass bei einer Frequenz eine im Wesentlichen modenreine Anregung erfolgt, so erfolgt auch eine Anregung mit einer definierten Wellenlänge. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit bestimmter Parameter, beispielsweise einer gemessenen Temperatur, zu variieren, um eine Temperaturabhängigkeit beispielsweise der Resonanzfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente und/oder einer Modenstruktur der angeregten Seitenwand auszugleichen.
Die Ausbreitungsrichtung kann über die gesamte Breite der Seitenwand bzw. des oder der Schwingelemente gleich sein. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Kontaktbereiche durch parallele rechteckige Flächen gebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abstrahlrichtung lokal variiert. Beispielsweise können gekrümmte Kontaktbereiche genutzt werden, wobei die verschiedenen Anregungs- bzw. Kontaktbereiche vorzugsweise zueinander parallel sind. In diesem Fall kann die Ausbreitungsrichtung beispielsweise stets senkrecht auf einem Rand der Kontaktbereiche stehen.
Werden die Abstände der Mitten der Kontaktbereiche wie oben erläutert gewählt und erfolgt die Verschaltung bzw. die Ansteuerung der Schwingelemente derart, dass diese phasensynchron schwingen, so erfolgt für geführte Wellen, deren Wellenlänge diesem Abstand oder einem ganzzahligen Teiler dieses Abstandes entspricht, also insbesondere für die anzuregende Lamb-Welle, eine konstruktive Interferenz. Die beabstandeten Kontaktbereiche wirken somit als eine Art wellenlängenbasierter Bandpassfilter für die angeregten geführten Wellen. Erfolgt eine Anregung mit einer Frequenz, bei der verschiedene Schwingungsmoden der Seitenwand ausreichend große Wellenlängenunterschiede aufweisen, so kann näherungsweise eine modenselektive Anregung erreicht werden.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können mehr als zwei Kontaktbereiche genutzt werden, deren Mitten jeweils gleiche Abstände voneinander aufweisen. Hierdurch kann die Modenreinheit der Anregung weiter verbessert werden. Um zu vermeiden, dass verschiedene Moden zugleich angeregt werden, ist hierbei jedoch darauf zu achten, dass vorzugsweise keiner der Abstände verschiedener Mitten der Kontaktbereiche einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge einer anderen Schwingungsmode der Seitenwand mit gleicher Frequenz entspricht.
Es ist möglich, dass eine geführte Welle mit einer Frequenz angeregt wird, für die gemäß der Dispersionsrelation der Seitenwand genau zwei Schwingungsmoden oder wenigstens zwei Schwingungsmoden mit unterschiedlichen Wellenlängen existieren, wobei die Wellenlänge der zweiten Mode doppelt so groß ist wie die Wellenlänge der ersten Mode. Wird der Abstand der Mitten der Kontaktbereiche nun so gewählt, dass er ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der ersten Wellenlänge ist, so resultiert eine konstruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der ersten Wellenlänge. Zugleich resultiert eine destruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der zweiten Wellenlänge, da für diese eine Anregung mit einem Abstand der halben zweiten Wellenlänge erfolgt, woraus eine Phasenverschiebung von 180° und somit eine Auslöschung resultiert. Durch Wahl eines solchen Arbeitspunktes kann somit gezielt eine destruktive Interferenz für eine zweite anregbare Mode und somit eine höhere Modenreinheit erreicht werden. Die Frequenz der angeregten geführten Welle kann durch Wahl der Schwingungsfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente vorgegeben werden. Die Steuereinrichtung kann somit dazu eingerichtet sein, das Schwingelement oder die Schwingelemente derart anzusteuern, dass sie mit einer definierten Frequenz schwingen, die dem obig beschriebenen Arbeitspunkt entspricht.
Die Frequenz der geführten Welle kann gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente sein. Vorzugsweise weisen alle Schwingelemente die gleiche Resonanzfrequenz auf. Die Resonanzfrequenz des Schwingelements bzw. der Schwingelemente kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass bei gegebenen Abmessungen parallel zur Seitenwand eine Dicke des Schwingelements senkrecht zur Seitenwand gewählt wird, um eine gewünschte Resonanzfrequenz einzustellen. Eine Anregung des Schwingelements oder der Schwingelemente bei seiner oder ihrer Resonanzfrequenz führt zu einer besonders effizienten Schwingungsanregung bei einer definierten Schwingungsfrequenz. Der Ultraschallwandler kann somit zur Anregung einer geführten Oberflächenwelle mit einer definierten Frequenz und insbesondere einer definierten Wellenlänge mit hoher Effizienz eingerichtet sein.
Mit dem vorangehend beschriebenen Vorgehen wird zwar eine Modenselektivität der Anregung erreicht, zugleich resultiert jedoch eine Ausbreitung der geführten Welle notwendig zumindest in zwei entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen. Dies kann in Einzelfällen zur Störung des Messprozesses führen bzw. ein gewisser Teil der Anregungsenergie kann verloren gehen und nicht zur Messung genutzt werden. Es kann daher vorteilhaft sein, die Messeinrichtung derart auszubilden, dass eine Ausbreitung der geführten Welle verstärkt oder ausschließlich in eine Richtung oder einseitig in einem bestimmten Raumwinkelbereich erfolgt.
Dies kann dadurch ermöglicht sein, dass über zwei Kontaktbereiche des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers eine Anregung des Messrohrs mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, wobei der Abstand zwischen den Mitten der beiden Kontaktbereiche in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der geführten Welle ist. Beispielsweise kann der Abstand das 1,25-fache, das 2,25-fache oder das 3,25-fache der Wellenlänge sein.
Über die beiden Kontaktbereiche werden jeweils separate geführte Wellen in der Seitenwand angeregt, die sich überlagern. Aufgrund der beschriebenen Parameter wird im ersten dieser Bereiche die folgende in beide Richtungen laufende geführte Welle angeregt: $y_{1} = sin (\frac{2 π}{λ} x - ω t) + sin (- \frac{2 π}{λ} x - ω t)$
Hierbei ist λ die Wellenlänge, x der Abstand vom Anregungsort, t die Zeit und ω das Produkt aus 2π und der Frequenz der geführten Welle. Aufgrund des Phasenversatzes und dem Abstand zwischen den Bereichen wird im zweiten Bereich die folgende in beide Richtungen laufende geführte Welle angeregt: $y_{2} = sin (\frac{2 π}{λ} (x + \frac{λ}{4}) - ω t - \frac{π}{2}) + sin (- \frac{2 π}{λ} (x + \frac{λ}{4}) - ω t - \frac{π}{2})$
Eine Überlagerung, also eine Summe der beiden Wellen, kann durch trigonometrisches Umformen berechnet werden, wobei sich das folgende Ergebnis ergibt: $y_{1} + y_{2} = 2 \cdot sin (\frac{2 π}{λ} x - ω t)$
Eine Überlagerung der beiden geführten Wellen resultiert somit in einer geführten Welle, die sich ausschließlich in eine Ausbreitungsrichtung ausbreitet, da für diese Ausbreitungsrichtung eine konstruktive Interferenz resultiert und für die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung eine destruktive Interferenz.
Ein Phasenversatz für die Anregung kann dadurch realisiert werden, dass viskose Schichten bzw. Tragstrukturen mit unterschiedlichen Ausdehnungen bzw. aus unterschiedlichem Material genutzt werden. Beispielsweise kann die Ausdehnung einer Tragstruktur, die einem der Kontaktbereiche zugeordnet ist, senkrecht zur Seitenwand eine derartige Abmessung aufweisen, dass die in dieser Tragstruktur angeregte Schwingung eine zusätzliche Zeit in Anspruch nimmt, die dem Kehrbruch des Vierfachen der Frequenz entspricht, um die Seitenwand zu erreichen. Alternativ wäre es auch möglich, die Phasenschiebung elektronisch zu realisieren. Beispielsweise könnten die messrohrseitigen und/oder messrohrabgewandten Elektroden von mehreren Schwingelementen über einen Kondensator gekoppelt werden oder Ähnliches.
Der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler können jeweils mehrere piezoelektrische Schwingelemente umfassen, wobei die Schwingelemente über eine jeweilige oder eine gemeinsame Tragstruktur mit dem Messrohr gekoppelt sind. Die Tragstruktur bzw. die Tragstrukturen können das Messrohr ausschließlich in den Kontaktbereichen kontaktieren. Die Schwingelemente können voneinander beabstandet auf einer gemeinsamen Tragstruktur angeordnet sein.
Die Tragstruktur kann wenigstens zwei voneinander beabstandete Rippen aufweisen, die durch Verbindungsabschnitte verbunden sind, wobei das Schwingelement oder die Schwingelemente ausschließlich auf den Rippen aufliegen. Die Rippen können das Schwingelement und/oder das Messrohr ausschließlich im Kontaktbereich kontaktieren. Durch die Ausbildung der Tragstruktur aus Rippen und wenigstens einem Verbindungsabschnitt, vorzugsweise einem Rahmen aus Verbindungsabschnitten, kann eine definierte Anordnung der Rippen zueinander und somit auch eine definierte Anordnung der Kontaktbereiche zueinander realisiert werden. Hierdurch kann die Herstellung der Messeinrichtung vereinfacht werden.
Die Rippen können eine kammartige Struktur ausbilden, auf der das Schwingelement aufliegt bzw. die auf der Seitenfläche aufliegt. Die Rippen können beispielsweise einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Die Trapezform kann so gewählt werden, dass die längere Seite des Trapezes an dem Schwingelement anliegt, womit unter Umständen eine effizientere Schwingungskopplung erreicht werden kann.
Die Rippen können sich senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der geführten Welle erstrecken. Eine einzelne Rippe kann jeweils einem einzelnen Kontaktbereich zugeordnet sein. Die Messeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler die geführte Welle in eine Raumwinkelbereich ausstrahlen bzw. dass bei einer Anregung über eine gewisse Breite eine Fokussierung der geführten Welle erfolgt. In diesem Fall ist die Ausbreitungsrichtung an unterschiedlichen Punkten der Messeinrichtung, insbesondere in Richtung der Breite der Seitenwand, also senkrecht zu einer Richtung, in der das Fluid durch das Messrohr strömt, lokal unterschiedlich. Die Rippen können hierbei entlang ihrer Erstreckung in den einzelnen Bereichen jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen, das heißt gekrümmt sein.
Das Messrohr kann im Bereich des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers eine Kontaktstruktur aufweisen, die mehrere Vorsprünge und/oder wenigstens eine Ausnehmung aufweist, wobei die Kontaktbereiche ausschließlich im Bereich der Vorsprünge und/oder außerhalb des Bereichs der Ausnehmung angeordnet sein können. Durch diese Ausnehmungen bzw. Vorsprünge können Strukturen ausgebildet werden, wie sie vorangehend bezüglich der Tragstruktur beschrieben wurden, beispielsweise in Ausbreitungsrichtung voneinander beabstandete Rippen, die sich insbesondere senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung erstrecken. Durch eine entsprechende Ausbildung der Seitenwand des Messrohres kann somit auf eine separate Tragstruktur verzichtet werden. Insbesondere können die Schwingelemente direkt oder über eine viskose Schicht an dem Messrohr angeordnet werden. Hierbei kann eine flache Seitenfläche des Schwingelements oder der Schwingelemente direkt oder über die viskose Schicht auf den Vorsprüngen bzw. auf der Seitenwand außerhalb des Bereichs der Ausnehmungen aufliegen.
Die Kontaktbereiche können jeweils eine konstante Länge in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle aufweisen und/oder alle Kontaktbereiche können eine gleiche vorgegebene Breite senkrecht zur Anregungsrichtung aufweisen. Beispielsweise können die Kontaktbereiche durch Rippen mit den vorangehend beschriebenen Formen realisiert werden, die ausschließlich in den entsprechenden Bereichen an der Seitenwand bzw. am Schwingelement anliegen.
Es ist möglich, dass die Kontaktbereiche gekrümmt sind. Ausgehend von einem Mittelpunkt, insbesondere in Richtung der Breite der Seitenwand, können die seitlichen Enden der Kontaktbereiche in Ausbreitungsrichtung vor oder hinter diesem Mittelpunkt liegen. Somit wird eine lokal unterschiedliche Ausbreitungsrichtung realisiert. Dies kann dazu dienen, die geführte Welle in einen bestimmten Abstrahlwinkel abzustrahlen bzw. zu fokussieren. Hierbei kann die Krümmung einen festen Krümmungsradius aufweisen, der beispielsweise größer als die Breite der Seitenwand des Messrohres senkrecht zu einer Strömungsrichtung und/oder kleiner als das Zehnfache oder Hundertfache dieser Breite sein kann.
Das Schwingelement oder die Schwingelemente können über eine viskose Schicht mit dem Messrohr oder der oder der jeweiligen Tragstruktur gekoppelt sein und/oder die Tragstruktur oder die Tragstrukturen können über eine viskose Schicht mit dem Messrohr gekoppelt sein. Diese Schicht kann eine Viskosität von weniger als 10⁸ mPas (Millipascalsekunden), insbesondere einer Viskosität von zwischen 0,6 mPas und 10⁶ mPas, aufweisen. Beispielsweise kann ein Silikonöl als viskose Kopplungsschicht genutzt werden, dessen Eigenschaften durch Zusätze, beispielsweise eingebrachte Partikel, weiter angepasst werden können. Die Schichtdicke der Kopplungsschicht kann zwischen 10 µm und 100 µm betragen.
Gegenüber einer starren Kopplung, beispielsweise einer Verklebung, wird der Vorteil erreicht, dass Verspannungen zwischen Schwingwandler und Messrohr bei einer Temperaturänderung vermieden werden. In vielen Fällen weisen das Messrohr, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet ist, und das Schwingungselement, das aus einer Piezokeramik mit aufgebrachten Elektroden bestehen kann, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Aufgrund der viskosen Schicht können diese unterschiedlichen Ausdehnungen ausgeglichen werden, ohne dass Verspannungen entstehen und somit beispielsweise eine Klebeschicht über die Zeit brüchig werden kann.
Die viskose Schicht kann elektrisch leitend sein. Insbesondere kann eine messrohrseitige Elektrode des Schwingelements oder der Schwingelemente über die viskose Schicht kontaktiert sein. Beispielsweise kann die viskose Schicht eine Leitfähigkeit von mehr als 1 S/m (Siemens/Meter), insbesondere von mehr als 10³ S/m aufweisen. Vorzugsweise werden noch größere Leitfähigkeiten realisiert. Die genannten relativ geringen Leitfähigkeiten können jedoch ausreichen, da keine großen Ströme transportiert werden müssen.
Die viskose Schicht kann metallische Partikel enthalten. Dies kann einerseits dazu dienen, die oben genannte Leitfähigkeit herzustellen, andererseits kann durch einen Beisatz von Partikeln die Viskosität der Schicht bedarfsgerecht angepasst werden.
Die Tragstruktur kann als Abschnitt eines an dem Messrohr angeordneten Tragegestells ausgebildet sein, das das Schwingelement oder das jeweilige Schwingelement oder die Schwingelemente trägt, wobei durch das Tragegestell wenigstens ein Kopplungsabschnitt ausgebildet ist, wobei das Tragegestell abgesehen von dem Kopplungsabschnitt von dem Schwingelement oder den Schwingelementen und/oder von der Seitenwand des Messrohrs, in die die geführte Welle einzukoppeln ist, beabstandet ist. Vorzugsweise bildet das Tragegestell mehrere Kopplungsabschnitte aus. Der Kopplungsabschnitt oder die Kopplungsabschnitte können die jeweilige Tragstruktur bilden. Die Beabstandung der anderen Abschnitte von der Seitenwand bzw. dem Schwingelement oder den Schwingelementen kann ausreichend groß sein, dass auch eine jeweilige viskose Schicht nicht kontaktiert wird, soweit diese vorhanden ist. Die Kopplungsabschnitte liegen insbesondere im Kontaktbereich an dem Schwingelement bzw. der Seitenwand an. Die Nutzung eines derartigen Tragegestells ermöglicht einen einfachen und robusten Aufbau der Messeinrichtung. Das Tragegestell kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt werden. Eine Herstellung kann durch Fräsen, Laserschneiden, Stanzen, Spritzguss oder Ähnliches erfolgen.
Das Tragegestell kann wenigstens ein Rastelement aufweisen, um das Schwingelement oder das jeweilige Schwingelement oder die Schwingelemente an dem Tragegestell zu verrasten. Beispielsweise können Rastnasen von zwei oder mehr Seiten an das oder die Schwingelemente angreifen.
Das Tragegestell kann ergänzend oder alternativ wenigstens einen Vorsprung aufweisen, der in eine Ausnehmung des Messrohres eingreift oder umgekehrt. Dies kann dazu dienen, die Position des Tragegestells an dem Messrohr und insbesondere auch die Position des Schwingelements bzw. der Schwingelemente bezüglich des Messrohrs festzulegen. Um das Tragegestell an dem Messrohr zu befestigen, können beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Messrohrseitenwand bzw. zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Messrohrs Ausnehmungen vorgesehen sein, in die ein jeweiliger Vorsprung eingreift, insbesondere einrastet.
Die Tragstruktur und/oder die Vorsprünge und/oder die Ausnehmung des Messrohrs können eine Ausdehnung senkrecht zu der Seitenwand des Messrohrs, in die die geführte Welle einzukoppeln ist, aufweisen, die maximal halb so groß ist, wie die Wellenlänge jener Welle in dem Material der Tragstruktur oder der Seitenwand, die die gleiche Frequenz aufweist, wie die geführte Welle. Ist die Ausdehnung halb so groß wie die Wellenlänge, erfolgt eine schmalbandige resonante Einkopplung der Schwingung, wodurch hohe Wirkungsgrade der Einkopplung erreicht werden können. Alternativ ist es möglich, relativ kleine Ausdehnungen zu nutzen, so dass eine nicht resonante Schwingungsübertragung erfolgt. Beispielsweise kann die Ausdehnung um den Faktor 3, 5 oder 10 kleiner sein als die Wellenlänge.
Die Länge der Tragstruktur und/oder der Vorsprünge und/oder der Ausnehmung in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann vorzugsweise zwischen der Hälfte und einem Achtel der Wellenlänge der geführten Welle sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Länge in Ausbreitungsrichtung ungefähr genauso groß ist wie die Wellenlänge der geführten Wellenlänge. In diesem Fall können vorteilhaft Abstände der Kontaktbereiche gewählt werden, die deutlich größer als die Wellenlänge der geführten Welle, also beispielsweise doppelt so groß oder 2,25 Mal so groß, sind.
Neben dem erfindungsgemäßen Ultraschallzähler betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Messeinrichtung, die eine Steuereinrichtung, ein das Fluid aufnehmendes und/oder von dem Fluid durchströmbares Messrohr und einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr angeordneten Ultraschallwandler umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler angesteuert werden, um eine durch eine Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler geführt und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfasst werden, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelt wird, wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils ein Schwingelement umfassen, durch das, insbesondere ausschließlich, über mehrere voneinander beabstandete Kontaktbereiche des Schwingelements Schwingungen in das Messrohr oder in eine zwischen dem Messrohr und dem Schwingelement angeordnete Tragstruktur eingekoppelt werden, oder wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils mehrere Schwingungselemente umfassen, durch die, insbesondere ausschließlich, in voreinander beabstandete Kontaktbereiche des Messrohrs oder einer mit dem Messrohr gekoppelten Tragstruktur Schwingungen eingekoppelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jenen Merkmalen, die zur erfindungsgemäßen Messeinrichtung erläutert wurden, mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen die

1 - 3 verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und
3 - 9 Detailansichten verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung betreffenden Fluidgröße. Das Fluid wird hierbei in eine durch den Pfeil 7 gezeigte Richtung durch einen Innenraum 4 eines Messrohrs 3 geführt. Um die Fluidgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die Steuereinrichtung 2 eine Laufzeitdifferenz zwischen den Laufzeiten von einem ersten Ultraschallwandler 5 zu einem zweiten Ultraschallwandler 6 und umgekehrt ermittelt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass diese Laufzeit von einer Geschwindigkeitskomponente des Fluids parallel zu einer Ausbreitungsrichtung eines Ultraschallstrahls 8 durch das Fluid abhängt. Aus dieser Laufzeit kann somit eine über den Pfad des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 gemittelte Flussgeschwindigkeit in Richtung des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 und somit näherungsweise eine gemittelte Strömungsgeschwindigkeit in dem von dem Ultraschallstrahl 8 durchquerten Volumen ermittelt werden.
Um einerseits eine Anordnung der Ultraschallwandler 5, 6 außerhalb des Messrohrs 3 zu ermöglichen und andererseits eine Empfindlichkeit bezüglich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen Positionen des Strömungsprofils zu reduzieren, wird durch den ersten Ultraschallwandler 5 nicht direkt ein Ultraschallstrahl 8, also eine Druckwelle, in dem Fluid induziert. Stattdessen wird durch den Ultraschallwandler 5 eine geführte Welle in der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 angeregt. Die Anregung erfolgt mit einer Frequenz, die derart gewählt ist, dass eine Lamb-Welle in der Seitenwand 9 angeregt wird. Solche Wellen können angeregt werden, wenn die Dicke 10 der Seitenwand 9 vergleichbar mit der Wellenlänge der Transversalwelle des Festkörpers ist, welche sich aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle des Festkörpers und der angeregten Frequenz ergibt.
Die durch den Ultraschallwandler 5 in der Seitenwand 9 angeregte geführte Welle ist schematisch durch den Pfeil 11 dargestellt. Durch die geführte Welle werden Kompressionsschwingungen des Fluids angeregt, die im gesamten Ausbreitungspfad der geführten Welle in das Fluid abgestrahlt werden. Dies ist schematisch durch die in Strömungsrichtung zueinander versetzten Ultraschallstrahlen 8 dargestellt. Die abgestrahlten Ultraschallstrahlen 8 werden an der gegenüberliegenden Seitenwand 12 reflektiert und über das Fluid zurück zu der Seitenwand 9 geführt. Dort regen die auftreffenden Ultraschallstrahlen 8 erneut eine geführte Welle in der Seitenwand 9 an, die schematisch durch den Pfeil 13 dargestellt ist und die durch den Ultraschallwandler 6 erfasst werden kann, um die Laufzeit zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die abgestrahlten Ultraschallwellen über einen Ultraschallwandler 15 zu erfassen, der an der Seitenwand 12 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallstrahlen 8 auf ihrem Pfad zum Ultraschallwandler 6, 15 nicht bzw. nur einmal an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert. Es wäre selbstverständlich möglich, eine längere Messstrecke zu nutzen, wobei die Ultraschallstrahlen 8 mehrfach an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert werden.
Bei dem geschilderten Vorgehen kann es problematisch sein, dass die Dispersionsrelation für Lamb-Wellen in der Seitenwand 9 mehrere Zweige aufweist. Bei einer Anregung mit einer bestimmten durch die Steuereinrichtung 2 vorgegebenen Frequenz wäre es somit möglich, dass unterschiedliche Schwingungsmoden für die Lamb-Welle angeregt werden, die unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. Dies führt dazu, dass die Kompressionswellen in Abhängigkeit dieser Phasengeschwindigkeiten unter unterschiedlichen Rayleigh-Winkeln 14 abgestrahlt werden. Hieraus resultieren verschiedene Pfade für die Führung der Ultraschallwelle von dem Ultraschallwandler 5 zu dem Ultraschallwandler 6 und umgekehrt, die typischerweise unterschiedliche Laufzeiten aufweisen. Die empfangenen Signale für diese verschiedenen Ausbreitungspfade müssten somit durch eine aufwändige Signalverarbeitung durch die Steuereinrichtung 2 separiert werden, um die Fluidgröße bestimmen zu können. Dies erfordert einerseits eine aufwändige Steuereinrichtung und ist andererseits nicht in allen Anwendungsfällen robust möglich. Daher soll in dem Ultraschallwandler 5 eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erfolgen. Verschiedene Möglichkeiten, dies mit relativ geringem technischen Aufwand umzusetzen, sind im Folgenden für verschiedene beispielhafte Konfigurationen des Ultraschallwandlers 5 beschrieben.
2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsvariante des Ultraschallwandlers 5 in zwei verschiedenen Perspektiven. Der Ultraschallwandler umfasst ein piezoelektrisches Schwingelement 16, das vorzugsweise als quaderförmiger Block aus Piezokeramik gebildet ist, der über nicht gezeigte Elektroden kontaktiert ist. Um eine modenreine Anregung zu erreichen, soll durch die Verbindung dieses Schwingelements 16 mit der Seitenwand 9 der geführten Welle eine bestimmte Wellenlänge aufgeprägt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das Schwingelement 16 über eine Tragstruktur 19 mit der Seitenwand 9 gekoppelt ist, wobei das Schwingelement 16 ausschließlich in zwei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen 17, 18 mit der Tragstruktur 19 gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen der Tragstruktur 19 und dem Schwingelement 16 bzw. der Wand 9 erfolgt jeweils über eine viskose Schicht 29, 30. Diese Schicht kann beispielsweise aus einem Silikonöl bestehen. In der Schicht können Partikel 31, insbesondere Metallpartikel, vorgesehen sein, um die Viskosität der Schicht anzupassen. Bei einer Nutzung von Metallpartikeln oder anderen leitfähigen Partikeln 31 können diese Partikel 31 auch dazu dienen, eine bestimmte Leitfähigkeit der viskosen Schichten 29, 30 zu realisieren. Dies kann vorteilhaft sein, da eine Elektrode an der messrohrzugewandten Seite 25 des Schwingelements 16 häufig schwer zugänglich ist und somit beispielsweise eine Kontaktierung dieser Elektrode über die viskose Schicht 30 erfolgen kann. Eine Schwingungskopplung über die viskosen Schichten 29, 30 führt dazu, dass über diese Kopplungen Scherkräfte nicht oder nur in geringem Ausmaß übertragen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn beispielsweise bei Temperaturwechseln unterschiedliche Ausdehnungen des Schwingelements 16 und der Seitenwand 9 auftreten, womit beispielsweise bei einer Verklebung Verspannungen auftreten könnten, die diese Verklebung langfristig beschädigen könnten.
Der Aufbau der Tragstruktur 19 ist insbesondere in 3 gut zu erkennen. Jene Bereiche der Tragstruktur 19, die in der gezeigten Ansicht unterhalb des Schwingelements 16 liegen, also die Kontaktbereiche 17, 18, sind gestrichelt dargestellt. Die Tragstruktur 19 weist zwei voneinander beabstandete Rippen 26, 27 auf, die durch Verbindungsabschnitte 28 miteinander verbunden sind. Das Schwingelement 16 liegt ausschließlich auf den Rippen 26, 27 auf. Durch eine entsprechende Wahl der Abstände der Rippen 26, 27 und somit der Mitten 21, 22 der Kontaktbereiche 17, 18 in die durch den Pfeil 11 dargestellte Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann der geführten Welle eine definierte Wellenlänge aufgeprägt werden.
Die Anregung der geführten Welle kann dadurch erfolgen, dass eine Expansions- bzw. Kompressionsschwingung des Schwingelements 16 angeregt wird, die schematisch durch den Doppelpfeil 23 in 2 dargestellt ist. Hierzu können Elektroden an der messrohrzugewandten Seite 25 und der messrohrabgewandten Seite 24 des Schwingelements 16 durch die Steuereinrichtung 2 mit einer zeitlich variablen Potentialdifferenz beaufschlagt werden, wobei in Abhängigkeit der Potentialdifferenz eine Expansion oder eine Kompression des Schwingelements 16 in die Hochrichtung in 2 erfolgt. Diese Schwingung senkrecht zur Seitenwand wird aufgrund der Nutzung der Tragstruktur 19 ausschließlich im Bereich der Rippen 26, 27 in die Seitenwand 9 eingekoppelt. Hierbei wird im Folgenden zunächst davon ausgegangen, dass die Rippen 26, 27 im Wesentlichen gleich aufgebaut und mit dem Schwingelement 16 und der Seitenwand 9 gekoppelt sind, so dass im Bereich der Rippen 26, 27 jeweils eine gleichphasige Anregung von geführten Wellen erfolgt.
Die beiden im Bereich der Rippen 26, 27 induzierten geführten Wellen werden in der Seitenwand 9 überlagert. Wird der Abstand 20 zwischen den Mitten 21, 22 der Kontaktbereiche 17, 18 nun so gewählt, dass er der Wellenlänge einer bestimmten gewünschten Mode der geführten Welle in der Seitenwand 9 bzw. einem ganzzahligen Vielfachen hiervor entspricht, so interferieren die geführten Wellen dieser Mode konstruktiv. Moden mit Wellenlängen, die keine ganzzahligen Teiler des Abstands 20 sind, werden nicht mit einer konstruktiven Interferenz und somit mit deutlich geringerer Amplitude in die Seitenwand 9 eingekoppelt. Durch eine auf die Wellenlänge der gewünschten Mode abgestimmte Tragstruktur kann somit eine Anregung von ungewünschten Moden weitgehend unterdrückt werden.
Die Frequenz der anzuregenden geführten Welle kann durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 2 prinzipiell frei vorgegeben werden. Um eine effiziente Anregung zu erreichen, wird jedoch vorzugsweise eine geführte Welle mit einer Frequenz angeregt, die gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements 16 ist. Vorzugsweise soll in der Messeinrichtung 1 stets eine geführte Welle mit einer fest vorgegebenen Frequenz und einer fest vorgegebenen Wellenlänge angeregt werden. Entsprechend kann das Schwingelement 16 so konfiguriert bzw. gewählt werden, dass seine Resonanzfrequenz dieser Schwingungsfrequenz entspricht, womit die entsprechende geführte Welle mit hoher Effizienz angeregt werden kann. Die Wellenlänge wird wie vorangehend erläutert über die Auslegung der Tragstruktur bzw. über die Wahl des Abstands 20 zwischen den Mitten 21, 22 der Kontaktbereiche 17, 18 vorgegeben. Durch die Dispersionsrelation der Seitenwand 9 für die geführte Welle ergibt sich somit ein Zusammenhang aus dem Abstand 20 und einer vorteilhaften Resonanzfrequenz des Schwingelements 16.
Die Länge der Kontaktbereiche 17, 18 in die durch den Pfeil 11 gezeigte Ausbreitungsrichtung der geführten Welle, also die Breite der Rippen 26, 27, kann zwischen einem Achtel und der Hälfte der Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle sein. Es ist auch möglich, dass die Länge der Kontaktbereiche 17, 18 ungefähr so groß ist wie die Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle, wobei in diesem Fall der Abstand 20 zwischen den Mitten 21, 22 vorzugsweise wenigstens doppelt so groß ist wie die Wellenlänge.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden ausschließlich zwei Kontaktbereiche 17, 18 genutzt. Um die Modenreinheit weiter zu verbessern, können in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weitere Kontaktbereiche 17, 18 genutzt werden.
Das Messrohr 3 kann aus mehreren im Wesentlichen geraden Seitenwänden zusammengesetzt sein. Es ist jedoch auch möglich, das beschriebene Vorgehen in im Wesentlichen runden Messrohren zu nutzen, wobei eine Seitenfläche, an der die Ultraschallwandler 5, 6 angeordnet sind, zumindest außenflächenseitig abgeflacht sein kann. Alternativ kann auch die Außenseite gekrümmt sein und die dem Messrohr 3 zugewandte Seite des Ultraschallwandlers 5, 6 kann an dieser gekrümmten Fläche anliegen. Beispielsweise kann ein rundes Messrohr 3 verwendet werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ragt die Tragstruktur 19 über diese Seitenwand 9 hinaus. Alternativ wäre es auch möglich, dass eine in Hochrichtung in 3 kürzere Tragstruktur genutzt wird, die vollständig auf der Seitenwand 9 aufliegt bzw. sich zumindest nicht über den Bereich der Seitenwand 9 hinauserstreckt.
In der obigen Erläuterung der Überlagerung der eingekoppelten geführten Wellen wurde zunächst davon ausgegangen, dass über die beiden Rippen 26, 27 eine gleichphasige Anregung von geführten Wellen in der Seitenwand 9 erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, die Tragstruktur 19 bzw. die Kopplung zwischen der Tragstruktur 19 und dem Schwingelement 16 bzw. der Seitenwand 9 derart anzupassen, dass gezielt ein bestimmter Phasenversatz realisiert wird. Beispielsweise kann die Dicke der Rippen 26, 27 senkrecht zur Seitenwand 9 angepasst werden und/oder die Rippen 26, 27 können aus unterschiedlichem Material gebildet sein, so dass die Laufzeit der eingekoppelten Schwingung für die beiden Rippen 26, 27 unterschiedlich ist. Wird nun ein Aufbau gewählt, bei dem die Anregung im Bereich der ersten und zweiten Rippe 26, 27 mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, und wird der Abstand 20 zwischen den Rippen 26, 27 so gewählt, dass er die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der zu erzeugenden geführten Welle ist, so resultiert eine Überlagerung der beiden eingekoppelten geführten Wellen derart, dass die in den 1 bis 3 nach links laufende Komponente der geführten Welle ausgelöscht wird und ausschließlich die nach rechts laufende Komponente verbleibt oder umgekehrt. Es kann somit eine richtungsselektive Anregung geführter Wellen erfolgen, was zweckmäßig sein kann, um eine ungewünschte Mehrwegausbreitung zu vermeiden und zudem die Effizienz der Einkopplung für den gewünschten Ausbreitungspfad zu erhöhen.
4 zeigt einen alternativen Aufbau für den Ultraschallwandler 5, der sich von dem in den 2 und 3 gezeigten Aufbau bezüglich der genutzten Tragstruktur 32 unterscheidet. Die Tragstruktur 32 weist hierbei drei Rippen 33 auf, die in einem jeweiligen Kontaktbereich 36 das Schwingelement 16 bzw. das Messrohr 9 kontaktieren. Die Abstände 20 zwischen den Mitten dieser Kontaktbereiche 36 sind wiederum ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen sind die Rippen 33 jedoch gekrümmt. Dies führt dazu, dass die Ausbreitungsrichtung der geführten Welle entlang der Rippen 33 lokal unterschiedlich ist. Wie durch die Pfeile 34, 37 dargestellt ist, resultiert hieraus in eine Abstrahlungsrichtung eine Abstrahlung der geführten Welle in einem sich öffnenden Winkelbereich und in die andere Abstrahlungsrichtung eine Fokussierung der geführten Welle.
5 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau des Ultraschallwandlers 5. Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist die Tragstruktur in diesem Ausführungsbeispiel aus separaten Komponenten 38 gebildet, die nicht über Verbindungsabschnitte verbunden sind. Eine Nutzung von Verbindungsabschnitten erleichtert zwar die Anordnung der einzelnen Komponenten am Messrohr, diese Verbindungsabschnitte sind jedoch für die geschilderte Funktion nicht erforderlich.
In 6 ist ein weiterer alternativer Aufbau des Ultraschallwandlers 5 dargestellt. Der Aufbau entspricht hierbei weitgehend dem in 2 und 3 gezeigten Aufbau, wobei statt eines gemeinsamen Schwingelements 16, das auf beiden Rippen 26, 27 der Tragstruktur 19 aufliegt, separate Schwingelemente 39, 40 genutzt werden. Somit weist der Ultraschallwandler 5 mehrere piezoelektrische Schwingelemente 39, 40 auf, die in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen 41, 42 mit dem Messrohr 3 bzw. der Seitenwand 9 gekoppelt sind. Die beiden Schwingelemente 39, 40 können durch die Steuereinrichtung 2 gemeinsam angesteuert werden. Vorzugsweise sind die beiden messrohrabgewandten Elektroden und/oder die beiden messrohrzugewandten Elektroden der Schwingelemente 39, 40 jeweils miteinander verbunden. Es kann somit eine phasensynchrone Anregung der Schwingelemente 39, 40 erfolgen.
7 zeigt eine Möglichkeit, den Ultraschallwandler 5 robust am Messrohr zu befestigen. Hierbei wird ein Tragegestell 44 genutzt, das in einem Abschnitt des Tragegestells 44 die Tragstruktur 43 ausbildet. Die Tragstruktur wird durch Kopplungsabschnitte 45 gebildet, die in Richtung senkrecht zur Seitenwand 9 über einen Rahmen 35 hinausragen, womit das Schwingelement 16 und die Seitenwand 9 ausschließlich über diese Kopplungsabschnitte kontaktiert werden. Die Kopplungsabschnitte entsprechen ihrer Form den Rippen 33 in 4.
Um das Schwingelement 16 zu haltern, weist das Tragegestell 44 Rastabschnitte 46 auf, durch die das Schwingelement 16 verrastet wird. Eine Halterung am Rohr erfolgt über Vorsprünge 47, nämlich Rastnasen, die in Ausnehmungen des Messrohrs eingreifen.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine separat von dem Messrohr 3 ausgebildete Tragstruktur genutzt, um zu erreichen, dass das Schwingelement ausschließlich über voneinander beabstandete Kontaktbereiche bzw. Anregungsbereiche mit der Seitenwand 9 gekoppelt wird. Alternativ ist es jedoch möglich, entsprechende Strukturen direkt an der Seitenwand 9 vorzusehen. Ein erstes Beispiel hierfür ist in 8 dargestellt. Die Seitenwand 9 weist hierbei zwei Vorsprünge 48 auf, die über eine jeweilige viskose Schicht 49 mit dem Schwingelement 16 gekoppelt sind. Hierdurch werden, genau wie zu 2 und 3 erläutert, zwei Kontaktbereiche 17, 18 ausgebildet, wobei eine modenselektive Anregung durch Wahl eines entsprechenden Abstandes 20 zwischen den Mitten 21, 22 in diese Kontaktbereiche 17, 18 erreicht werden kann, wie bereits erläutert wurde.
Eine entsprechende Kontaktstruktur zur Ausbildung der Kontaktbereiche 17, 18 kann auch dadurch erzeugt werden, dass Ausnehmungen 50 in die Seitenwand 9 des Messrohrs 3 eingebracht werden. Dies ist in 9 dargestellt. 9 zeigt zudem eine Kontaktierung des Schwingelements 16 über die Seitenwand 9 und die leitfähige viskose Schicht 49.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: Steuereinrichtung
3: Messrohr
4: Innenraum
5: Ultraschallwandler
6: Ultraschallwandler
7: Pfeil
8: Ultraschallstrahl
9: Seitenwand
10: Dicke
11: Pfeil
12: Seitenwand
13: Pfeil
14: Rayleigh-Winkel
15: Ultraschallwandler
16: Schwingelement
17: Kontaktbereich
18: Kontaktbereich
19: Tragstruktur
20: Abstand
21: Mitte
22: Mitte
23: Doppelpfeil
24: messrohrabgewandte Seite
25: messrohrzugewandte Seite
26: Rippe
27: Rippe
28: Verbindungsabschnitt
29: Schicht
30: Schicht
31: Partikel
32: Tragstruktur
33: Rippe
34: Pfeil
35: Rahmen
36: Kontaktbereich
37: Pfeil
38: Komponente
39: Schwingelement
40: Schwingelement
41: Kontaktbereich
42: Kontaktbereich
43: Tragstruktur
44: Tragegestell
45: Kopplungsabschnitt
46: Rastelement
47: Vorsprung
48: Vorsprung
49: viskose Schicht
50: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4735097 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces“, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002 [0004]

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids bereffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem ersten und einem zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15), wobei durch die Steuereinrichtung (2) der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) führbar und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils ein Schwingelement (16) umfassen, das in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (17, 18) des Schwingelements (16) mit dem Messrohr (3) oder mit einer zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordneten Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist, - oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, die in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (41, 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr (3) gekoppelten Tragstruktur (19, 32, 43) mit dem Messrohr (3) oder der Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (20) zwischen den Mitten (21, 22) wenigstens zweier Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (5, 6, 15) in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der geführten Welle entspricht.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der geführten Welle gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements (16) oder der Schwingelemente (39, 40) ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er derart ausgebildet ist, dass über zwei Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (5, 6, 15) eine Anregung des Messrohres (3) mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, wobei der Abstand (20) zwischen den Mitten (21, 22) der beiden Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der geführten Welle ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (19, 32, 43) wenigstens zwei voneinander beabstandete Rippen (26, 27, 33) aufweist, die durch wenigstens einen Verbindungsabschnitt (28) verbunden sind, wobei das Schwingelement (16) oder die Schwingelemente (39, 40) ausschließlich auf den Rippen (26, 27, 33) aufliegen.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (26, 27, 33) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der geführten Welle erstrecken.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (3) im Bereich des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (16, 39, 40) eine Kontaktstruktur aufweist, die mehrere Vorsprünge (48) und/oder wenigstens eine Ausnehmung (50) aufweist, wobei die Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) ausschließlich im Bereich der Vorsprünge (48) und/oder außerhalb des Bereichs der Ausnehmung (50) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) jeweils eine konstante Länge in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle aufweisen und/oder dass alle Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) eine gleiche vorgegebene Breite senkrecht zur Anregungsrichtung aufweisen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (17, 18, 41, 42) gekrümmt sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (16) oder die Schwingelemente (39, 40) über eine viskose Schicht (31, 49) mit dem Messrohr (3) oder der oder der jeweiligen Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist oder sind und/oder dass die Tragstruktur (19, 32, 43) oder die Tragstrukturen (19, 32, 43) über eine viskose Schicht (29) mit dem Messrohr (3) gekoppelt ist oder sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (43) als Abschnitt eines an dem Messrohr angeordneten Tragegestells (44) ausgebildet ist, das das Schwingelement (16) oder das jeweilige Schwingelement (39, 40) oder die Schwingelemente (39, 40) trägt, wobei durch das Tragegestell (44) wenigstens ein Kopplungsabschnitt (45) ausgebildet ist, wobei das Tragegestell abgesehen von dem Kopplungsabschnitt (45) von dem Schwingelement (16) oder den Schwingelementen (39, 40) und/oder von der Seitenwand (7) des Messrohrs (3), in die die geführte Welle einzukoppeln ist, beabstandet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragegestell (44) wenigstens ein Rastelement (46) aufweist, um das Schwingelement (16) oder das jeweilige Schwingelement (39, 40) oder die Schwingelemente (39, 40) an dem Tragegestell (44) zu verrasten.
Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragegestell (44) wenigstens einen Vorsprung (47) aufweist, der in eine Ausnehmung des Messrohres (3) eingreift oder umgekehrt.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (19, 32, 43) und/oder die Vorsprünge (48) und/oder die Ausnehmung (50) des Messrohrs (3) eine Ausdehnung senkrecht zu der Seitenwand (9) des Messrohrs (3), in die die geführte Welle einzukoppeln ist, aufweist oder aufweisen, die maximal halb so groß ist, wie die Wellenlänge jener Welle in dem Material der Tragstruktur (19, 32, 43) oder der Seitenwand (9), die die gleiche Frequenz aufweist, wie die geführte Welle.
Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Messeinrichtung (1), die eine Steuereinrichtung (2), ein das Fluid aufnehmendes und/oder von dem Fluid durchströmbares Messrohr (3) und einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15) umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung (2) der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) angesteuert werden, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) geführt und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfasst werden, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils ein Schwingelement (16) umfassen, durch das über mehrere voneinander beabstandete Kontaktbereiche (17, 18) des Schwingelements (16) Schwingungen in das Messrohr (3) oder in eine zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordnete Tragstruktur (19, 32, 43) eingekoppelt werden, - oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, durch die in voneinander beabstandete Kontaktbereiche (41, 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr gekoppelten Tragstruktur (19, 32, 43) Schwingungen eingekoppelt werden.