DE102017006181A1 - Measuring device and method for determining a fluid size - Google Patents
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Abstract
Messeinrichtung (1) zur Ermittlung einer Fluidgröße mit einem Messrohr (3) und einem ersten und einem zweiten piezoelektrischen Schwingungswandler (5, 6), wobei der erste und/oder der zweite Schwingungswandler (5, 6) ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand (7) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Schwingungswandler (5, 6) führbar und dort erfassbar sind, wobei entweder der erste und/oder der zweite Schwingungswandler (5, 6) jeweils genau eine messrohrseitige Elektrode (9) und genau eine messrohrabgewandte Elektrode (10) aufweisen, oder wobei der erste und/oder der zweite Schwingungswandler (5, 6) mehrere messrohrseitige Elektroden (9) und wenigstens eine messrohrabgewandte Elektrode (10, 25, 26) oder umgekehrt aufweist, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Spannungen zwischen den Elektroden (9, 10, 25, 26) derart vorzugeben, dass das Vorzeichen der Spannung zwischen einer jeweiligen messrohrseiteigen Elektrode (9) und einer jeweiligen messrohrabgewandten Elektrode (10, 25, 26) für alle Paare aus messrohrseitigen und messrohrabgewandten Elektroden (9, 10, 25, 26) des jeweiligen Schwingungswandlers (5, 6) gleich ist. Measuring device (1) for determining a fluid size with a measuring tube (3) and a first and a second piezoelectric vibration transducer (5, 6), wherein the first and / or the second vibration transducer (5, 6) are controllable to one through a side wall (7) of the measuring tube (3) to excite guided wave, wherein the guided wave stimulates compression oscillations of the fluid, which are feasible and detectable via the fluid to the respective other vibration transducer (5, 6), wherein either the first and / or the second Vibration converter (5, 6) each have exactly one measuring tube side electrode (9) and exactly one measuring tube facing away from electrode (10), or wherein the first and / or the second vibration transducer (5, 6) a plurality of measuring tube side electrodes (9) and at least one electrode away from the measuring tube (10, 25, 26) or vice versa, wherein the control device (2) is adapted to specify the voltages between the electrodes (9, 10, 25, 26) such that the Sign of the voltage between a respective measuring tube side electrode (9) and a respective measuring tube facing away electrode (10, 25, 26) for all pairs of measuring tube side and measuring tube facing away electrodes (9, 10, 25, 26) of the respective vibration converter (5, 6) is the same ,
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 piezoelektrischen Schwingungswandler, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Schwingungswandler 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 Schwingungswandler führbar und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße in Abhängigkeit der Messdaten bestimmbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße.The invention relates to a measuring device for determining a fluid quantity concerning a fluid and / or a fluid flow of the fluid with a control device, a measuring tube receiving the fluid and / or flowed through by the fluid, and a first and a second piezoelectric vibration transducer arranged at a distance from one another on the measuring tube. the first and / or the second vibration converter being controllable by the control device in order to excite a shaft guided through a side wall of the measuring tube, wherein the guided wave excites compression oscillations of the fluid, which can be guided via the fluid to the respective other vibration converter and there by the control device can be detected to determine measurement data, wherein the fluid size can be determined as a function of the measured data. In addition, the invention relates to a method for determining a fluid size.
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.One way to measure a flow through a measuring tube, are ultrasonic counters. In these, at least one ultrasonic transducer is used to couple an ultrasonic wave into the fluid flowing through the measuring tube, whereby it is guided on a straight path or after several reflections on walls or special reflector elements to a second ultrasonic transducer. From the transit time of the ultrasonic wave between the ultrasonic transducers or from a transit time difference at a permutation of transmitter and receiver, a flow rate through the measuring tube can be determined.
Die Druckschrift
Aus dem Artikel
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.However, excitation of a model pure guided wave is highly relevant for use in an ultrasound counter because the angle at which compression vibrations are radiated into the fluid depends on the phase velocity of the guided wave, which is typically different in different excitation modes at the same excited frequency. Thus, if different modes are excited, then different propagation paths for the compression vibrations in the fluid, which can possibly be excluded by a complex signal evaluation result.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung, insbesondere einen Ultraschallzähler, anzugeben, die geführte Wellen zur Ermittlung von Messdaten nutzt, wobei ein geringer Bauraumbedarf und ein einfacher Aufbau realisiert werden sollen und vorzugsweise eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erreicht werden soll.The invention is therefore an object of the invention to provide a measuring device, in particular an ultrasonic meter, which uses guided waves for the determination of measured data, with a small space requirement and a simple structure to be realized and preferably as pure as possible excitation of guided waves to be achieved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei entweder der erste und/oder der zweite Schwingungswandler jeweils genau eine messrohrseitige Elektrode und genau eine messrohrabgewandte Elektrode aufweisen, die an einander gegenüberliegenden, zu der Seitenwand des Messrohrs parallelen Seitenflächen des jeweiligen Schwingungswandlers angeordnet sind, oder wobei der erste und/oder der zweite Schwingungswandler mehrere messrohrseitige Elektroden und wenigstens eine messrohrabgewandte Elektrode oder mehrere messrohrabgewandte Elektroden und wenigstens eine messrohrseitige Elektrode aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Spannungen zwischen den Elektroden derart vorzugeben, dass das Vorzeichen der Spannung zwischen einer jeweiligen messrohrseiteigen Elektrode und einer jeweiligen messrohrabgewandten Elektrode für alle Paare aus messrohrseitigen und messrohrabgewandten Elektroden des jeweiligen Schwingungswandlers gleich ist.The object is achieved by a measuring device of the type mentioned above, wherein either the first and / or the second vibration transducer each have exactly one measuring tube side electrode and exactly one Meßrohrabgewandte electrode, which are opposite to the side wall of the measuring tube parallel side surfaces of the respective vibration transducer are arranged, or wherein the first and / or the second vibration transducer a plurality of measuring tube side electrodes and at least one measuring tube facing away electrode or a plurality of measuring tube facing electrodes and at least one measuring tube side electrode, wherein the control device is adapted to specify the voltages between the electrodes such that the sign the voltage between a respective measuring tube side electrode and a respective measuring tube facing away electrode for all pairs of measuring tube side and Meßrohrabgewandten electrodes of the respective vibration transducer is the same.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Schwingungswandler zu nutzen, der ähnlich wie die eingangs diskutierten Interdigitaltransducer parallel zu der Seitenwand liegende Seitenflächen aufweist, also insbesondere flach auf der Seitenwand bzw. einer Kopplungsschicht oder einem anderen Kopplungselement aufliegt. Hierdurch wird ein geringer Bauraumverbrauch realisiert. Im Gegensatz zu einem Interdigitaltransducer, der über die kammartig ineinander eingreifenden Elektrodenstrukturen lokal unterschiedlich polarisiert wird, wird erfindungsgemäß jedoch vorgeschlagen, für alle Elektroden auf einer jeweiligen Seite die gleiche Polarität zu nutzen. Hierdurch können Schwingungsmoden angeregt werden, deren Schwingung senkrecht zu der Seitenwand steht.According to the invention, it is proposed to use a vibration converter which, similar to the interdigital transducers discussed at the beginning, has side faces lying parallel to the side wall, ie in particular rests flat on the side wall or a coupling layer or another coupling element. As a result, a small space requirement is realized. In contrast to an interdigital transducer which is locally differently polarized via the comb-like meshing electrode structures, however, according to the invention it is proposed to use the same polarity for all electrodes on a respective side. As a result, vibration modes can be excited whose oscillation is perpendicular to the side wall.
Expansions- und Kompressionsschwingungen können bei den meisten piezoelektrischen Schwingungswandlern mit höherem Wirkungsgrad angeregt werden, als Scherschwingungen, womit eine effizientere Schwingungsanregung ermöglicht wird. Zudem wird aufgrund der Schwingungsrichtung senkrecht zur Seitenwand ein effizienter Eintrag dieser Schwingung in die Seitenwand erreicht. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung, die insbesondere ein Ultraschallzähler sein kann, kann somit besonders kleinbauend sein und ermöglicht eine besonders effiziente Schwingungsanregung. Ähnliches gilt, wenn der Schwingungswandler zur Erfassung der Schwingungen genutzt wird. Aufgrund der effizienten Schwingungskopplung wird die Signalerfassung verbessert.Expansion and compression vibrations can be excited in most piezoelectric vibration transducers with higher efficiency than shearing vibrations, thus enabling a more efficient vibration excitation. In addition, due to the direction of vibration perpendicular to the side wall, an efficient entry of this vibration into the side wall is achieved. The measuring device according to the invention, which can be in particular an ultrasonic meter, can thus be particularly compact and allows a particularly efficient vibration excitation. The same applies if the vibration transducer is used to detect the vibrations. Due to the efficient vibration coupling the signal acquisition is improved.
Wie später noch detailliert erläutert werden wird, wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass mit dem geschilderten sehr einfachen Aufbau des Ultraschallwandlers bereits eine hohe Modenreinheit für die angeregte geführte Welle erreicht werden kann. Wie später noch genauer erläutert werden wird, kann durch eine entsprechende Wahl der Abmessungen des Schwingungswandlers, also insbesondere des genutzten Piezoelements, bereits bei Nutzung einer einzelnen Elektrode auf jeder Seite eine hohe Modenreinheit erreicht werden. Durch zumindest einseitiger Anpassung der Elektrodenstruktur an die Wellenlänge der zu erzeugenden geführten Welle kann die Modenreinheit weiter verbessert werden.As will be explained in detail later, it has been found in the invention that with the described very simple construction of the ultrasonic transducer already a high mode purity for the excited guided wave can be achieved. As will be explained in more detail later, a high mode purity can be achieved by selecting the dimensions of the vibration transducer, ie in particular the piezo element used, even when using a single electrode on each side. By at least one-sided adaptation of the electrode structure to the wavelength of the guided wave to be generated, the mode purity can be further improved.
Der Schwingungswandler wird derart an der Seitenwand angeordnet, dass zwei seiner Seitenflächen im Wesentlichen parallel zu der Seitenwand sind. Sie können hierbei insbesondere parallel zu der Außenfläche der Seitenwand sein, falls die Außenfläche und die Innenfläche der Seitenwand unterschiedlich geformt sind und/oder gewinkelt zueinander stehen. Hierbei ist es selbstverständlich möglich, dass es zu produktionsbedingten geringfügigen Abweichungen von der Parallelität kommt. Beispielsweise kann der Neigungswinkel der Seitenflächen des Schwingungswandlers zu der Seitenwand bzw. zu deren Außenfläche kleiner als 1°, kleiner als 3° oder kleiner als 5° sein.The vibration transducer is disposed on the sidewall such that two of its side surfaces are substantially parallel to the sidewall. In this case, they may in particular be parallel to the outer surface of the side wall, if the outer surface and the inner surface of the side wall are shaped differently and / or are angled to one another. It is of course possible that there are production-related slight deviations from the parallelism. For example, the angle of inclination of the side surfaces of the vibration transducer to the side wall or to its outer surface may be less than 1 °, less than 3 ° or less than 5 °.
Der Schwingungswandler kann ein Ultraschallwandler sein. Die geführte Welle ist insbesondere eine akustische Ultraschallwelle. Der Schwingungswandler bzw. das Piezoelement, das den Schwingungswandler bildet, kann insbesondere quaderförmig sein. 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.The vibration transducer may be an ultrasonic transducer. The guided wave is in particular an acoustic ultrasonic wave. The vibration transducer or the piezoelectric element which forms the vibration transducer can in particular be cuboidal. Measurements can be made on a fluid flow flowing through the measuring tube, but also on a fluid in the measuring tube. The measuring device can also have more than two vibration transducers. For example, a vibration emitted by a first vibration transducer may be detected by a plurality of second vibration transducers, e.g. to consider different propagation paths or to validate measurement data.
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.The use of a vibration transport for detecting fluid properties is known in principle in the prior art. For example, in ultrasound counters, transit time differences of a transit time of a vibration between a first and a second ultrasound transducer and vice versa are often detected and from this a flow velocity can be determined. However, other measurement data can also be evaluated to determine fluid properties. For example, a signal amplitude at the receiving vibration transducer can be evaluated to detect a damping of the vibration during transport through the fluid. Amplitudes can also be evaluated frequency-dependent and absolute or relative amplitudes of specific spectral ranges can be evaluated in order to detect a spectrally different damping behavior in the fluid. Phase relationships of different frequency bands can also be evaluated in order, for example, to obtain information about the dispersion relation in the fluid. Alternatively or additionally, it is also possible to evaluate changes in the spectral composition or the amplitude over time, for example within a measuring pulse.
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.By evaluating these variables, for example a flow rate and / or a flow volume and / or a density, temperature and / or viscosity of the fluid can be determined as fluid quantities. Additionally or alternatively, for example, a speed of sound in the fluid and / or a composition of the fluid, for example a mixing ratio of different components, can be determined. Different approaches for obtaining these fluid sizes from the Measured variables explained above are known in the prior art and are therefore not to be described in detail. For example, relationships between one or more measured variables and the fluid size can be determined empirically, and it is possible, for example, to use a look-up table or a corresponding formula to determine the fluid size.
Die Steuereinrichtung kann die Spannungen für die Elektroden als jeweiligen zeitlichen Spannungsverlauf vorgeben. Alternativ ist es auch möglich, dass nur den messrohrabgewandten Elektroden oder nur den messrohrseitigen Elektroden ein Spannungsverlauf zugeführt wird und die jeweils anderen Elektroden auf einem fest vorgegebenen Spannungspotential liegen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere alle Elektroden einer jeweiligen Seitenfläche des Schwingungswandlers mit der gleichen Spannung beaufschlagen.The control device can specify the voltages for the electrodes as the respective temporal voltage curve. Alternatively, it is also possible that only the measuring tube facing away from electrodes or only the measuring tube side electrodes, a voltage waveform is supplied and the respective other electrodes are at a fixed predetermined voltage potential. The control device can act in particular on all the electrodes of a respective side surface of the vibration transducer with the same voltage.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Spannungen zwischen den Elektroden derart vorzugeben, dass zwischen den messrohrseitigen Elektroden des jeweiligen Schwingungswandlers im Wesentlichen keine Spannung abfällt und/oder dass zwischen den messrohrabgewandten Elektroden des jeweiligen Schwingungswandlers im Wesentlichen keine Spannung abfällt. Alle Elektroden einer Seite können somit näherungsweise auf dem gleichen Potential liegen. Potentialunterschiede können beispielsweise aus geringfügigen Widerstandsunterschieden der Zuleitungen resultieren. Die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden einer Seite kann um den Faktor 100 oder 1000 kleiner sein als die maximale Spannung zwischen Elektroden der verschiedenen Seiten im Rahmen eines zur Ansteuerung genutzten Spannungsverlaufs.The control device can be set up to predetermine the voltages between the electrodes in such a way that substantially no voltage drops between the measuring tube-side electrodes of the respective vibration converter and / or that substantially no voltage drops between the electrodes of the respective vibration converter facing away from the measuring tube. All electrodes of one side can thus be approximately at the same potential. Potential differences can result, for example, from slight differences in the resistance of the supply lines. The voltage difference between the electrodes of one side can be smaller by a factor of 100 or 1000 than the maximum voltage between electrodes of the different sides in the context of a voltage curve used for the control.
Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler können genau eine messrohrseitige Elektrode und/oder genau eine messrohrabgewandte Elektrode aufweisen. Wie eingangs bereits erwähnt, kann bereits eine derart einfache Elektrodenstruktur ausreichend für eine modenselektive Anregung von geführten Wellen sein.The first and / or the second vibration transducer may have exactly one measuring tube-side electrode and / or exactly one measuring tube facing away from the electrode. As already mentioned, even such a simple electrode structure can be sufficient for a mode-selective excitation of guided waves.
Es ist auch möglich, dass der erste und/oder der zweite Schwingungswandler mehrere streifenförmige messrohrseitige Elektroden aufweisen, deren Abstand der Wellenlänge der geführten Welle entspricht, und/oder dass der erste und/oder der zweite Schwingungswandler mehrere streifenförmige messrohrabgewandte Elektroden aufweisen, deren Abstand der Wellenlänge der geführten Welle entspricht. Eine derartige Strukturierung der Elektroden zumindest einer Seitenfläche des Schwingungswandlers kann genutzt werden, um die Modenselektivität der Anregung zu verbessern. Die Wellenlänge der geführten Welle kann hierbei durch die Anregungsgeometrie und ein durch die Steuereinrichtung zugeführtes Anregungssignal, insbesondere eine Anregungsfrequenz, vorgegeben sein. Die Anregungsfrequenz kann für die Messeinrichtung fest vorgegeben sein oder in Abhängigkeit von Betriebsparametern, beispielsweise in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur, die beispielsweise über einen Temperatursensor der Messeinrichtung erfasst werden kann, angepasst werden. Wie später noch detailliert erläutert werden wird, kann die Anregungsgeometrie der Messeinrichtung auf eine definierte Frequenz und Wellenlänge der geführten Welle optimiert sein, um eine geführte Welle mit genau diesen Parametern möglichst modenselektiv anzuregen. Die Wellenlänge und Frequenz der anzuregenden geführten Welle sind somit durch die konstruktive Auslegung der Messeinrichtung vorgegeben. Eine Anpassung einer Anregungsfrequenz, wie sie vorangehend erläutert wurde, kann ausschließlich dazu dienen, eine Veränderung der Modenstruktur des Schwingungswandlers und/oder des Messrohrs bzw. von dessen Seitenwand, z. B. aufgrund einer Temperaturänderung, zu kompensieren.It is also possible for the first and / or the second oscillation converter to have a plurality of strip-shaped electrodes whose distance corresponds to the wavelength of the guided wave, and / or the first and / or the second oscillation converter have a plurality of strip-shaped electrodes facing away from the measuring tube Wavelength of the guided wave corresponds. Such structuring of the electrodes of at least one side face of the vibration transducer can be used to improve the mode selectivity of the excitation. The wavelength of the guided wave can in this case be predetermined by the excitation geometry and an excitation signal supplied by the control device, in particular an excitation frequency. The excitation frequency can be fixed for the measuring device or adjusted as a function of operating parameters, for example as a function of an operating temperature, which can be detected, for example, via a temperature sensor of the measuring device. As will be explained in detail later, the excitation geometry of the measuring device can be optimized to a defined frequency and wavelength of the guided wave to stimulate a guided wave with exactly these parameters as modenelektiv. The wavelength and frequency of the guided wave to be excited are thus predetermined by the structural design of the measuring device. An adaptation of an excitation frequency, as has been explained above, can only serve to change the mode structure of the vibration transducer and / or of the measuring tube or of its side wall, for. B. due to a change in temperature to compensate.
Die geführte Welle kann eine Lamb-Welle sein. Eine Anregung von Lamb-Wellen erfolgt, wenn die Wanddicke mit der Wellenlänge der Transversalwelle des Festkörpers vergleichbar ist. Derartige geführte Wellen sind kombinierte Druck- und Scherwellen und führen somit auch zu einer Auslenkung der Innenfläche der Seitenwand in Richtung des Fluids bzw. von dem Fluid weg. Durch diese Auslenkung werden wiederum Kompressionswellen im Fluid ausgelöst. Der gesamte Bereich, innerhalb dem sich die geführte Welle auf der Seitenwand ausbreitet, kann somit als Anregungsfläche für eine Kompressionsschwingung des Fluids dienen. Umgekehrt kann eine Kompressionsschwingung des Fluids in einem Wandbereich der Seitenwand eine entsprechende Lamb-Welle anregen, die dann in der Seitenwand zu dem anderen Schwingungswandler geführt wird.The guided wave can be a lamb wave. Excitation of Lamb waves takes place when the wall thickness is comparable to the wavelength of the transverse wave of the solid. Such guided waves are combined pressure and shear waves and thus also lead to a deflection of the inner surface of the side wall in the direction of the fluid or away from the fluid. This deflection in turn causes compression waves in the fluid. The entire area within which the guided wave propagates on the side wall can thus serve as an excitation surface for a compression oscillation of the fluid. Conversely, a compression vibration of the fluid in a wall region of the side wall can excite a corresponding Lamb wave, which is then guided in the side wall to the other vibration transducer.
Wie bereits erwähnt, kann eine Modenselektivität der Anregung durch eine entsprechende Abstimmung des Schwingungswandlers und des Messrohrs bzw. dessen Seitenwand aufeinander realisiert werden. Es ist daher möglich, dass der erste und/oder der zweite Schwingungswandler und das Messrohr derart ausgebildet sind, dass eine Eigenschwingung des Schwingungswandlers die gleiche Frequenz und die gleiche Wellenlänge aufweist, wie die geführte Welle. Werden nur relativ niedrige Schwingungsmoden, also nur relativ niedrige Raumfrequenzen, berücksichtigt, so hat der Schwingungswandler nur endlich viele Eigenschwingungsmoden. Für die erfindungsgemäße Lehre sind hierbei insbesondere Kompressionsschwingungsmoden senkrecht zur Seitenwand relevant, da diese besonders stark in die Seitenwand eingekoppelt werden. Gleichzeitig wird ausgenutzt, dass das Messrohr bzw. dessen angeregte Seitenwand für geführte Wellen, insbesondere für Lamb-Wellen bzw. Rayleigh-Wellen eine Dispersionsrelation aufweist, die für jede Mode einen eindeutigen Zusammenhang zwischen deren Frequenz und Wellenlänge beschreibt. Erfolgt eine Anregung des Schwingungswandlers mit einer Frequenz, die der Frequenz einer Eigenschwingung des Schwingungswandlers entspricht, so resultiert eine stehende Welle mit einer definierten Frequenz und Wellenlänge. Werden nun die Abmessungen und die weiteren Parameter des Schwingungswandlers so gewählt, dass diese Kombination von Frequenz und Wellenlänge auf oder nahe an einem Zweig der Dispersionsrelation für geführte Wellen in dem Messrohr bzw. in der angeregten Seitenwand liegt, so wird nahezu ausschließlich die diesem Zweig zugehörige Schwingungsmode angeregt. Eine Modenselektivität kann somit alleine dadurch erreicht werden, dass ein entsprechend dimensionierter Schwingungswandler bzw. Piezoelement genutzt wird.As already mentioned, a mode selectivity of the excitation can be realized by an appropriate tuning of the vibration transducer and of the measuring tube or its side wall to one another. It is therefore possible that the first and / or the second vibration transducer and the measuring tube are formed such that a natural vibration of the vibration transducer has the same frequency and the same wavelength as the guided wave. If only relatively low vibration modes, ie only relatively low spatial frequencies, are taken into account, then the vibration converter only has finitely many natural mode modes. For the teaching according to the invention, in particular compression oscillation modes perpendicular to the side wall are relevant here, since they are particularly strongly coupled into the side wall. At the same time it is exploited that the measuring tube or its excited side wall for guided waves, in particular for Lamb waves or Rayleigh waves has a dispersion relation that describes a unique relationship between their frequency and wavelength for each mode. If an excitation of the vibration transducer with a frequency corresponding to the frequency of a natural vibration of the vibration transducer, so results in a standing wave with a defined frequency and wavelength. If now the dimensions and the other parameters of the vibration transducer are chosen such that this combination of frequency and wavelength lies on or close to a branch of the dispersion relation for guided waves in the measuring tube or in the excited sidewall, then almost exclusively the branch associated with it Vibration mode excited. A mode selectivity can thus be achieved solely by using a correspondingly dimensioned vibration transducer or piezoelectric element.
Eine Seitenlänge der zu der Seitenwand des Messrohr parallelen Seitenflächen des Schwingungswandlers kann das Produkt der Wellenlänge der geführten Welle mit einem Skalierungsfaktor sein, wobei der Skalierungsfaktor die Summe einer natürlichen Zahl, also einer ganzen Zahl, und einer Zahl zwischen 0,05 und 0,45, insbesondere zwischen 0,15 und 0,35, ist. Diese Seitenlänge kann insbesondere die Ausdehnung des Schwingungswandlers in eine Richtung sein, in die die geführte Welle abgestrahlt werden soll, also beispielsweise in eine Durchflussrichtung des Messrohrs.A side length of the lateral faces of the vibration transducer parallel to the sidewall of the measuring tube may be the product of the wavelength of the guided wave with a scaling factor, the scaling factor being the sum of a natural number, that is an integer, and a number between 0.05 and 0.45 , in particular between 0.15 and 0.35. This side length may in particular be the extent of the vibration transducer in a direction in which the guided wave is to be radiated, that is, for example, in a flow direction of the measuring tube.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass eine optimale Modenselektivität wider Erwarten nicht im Bereich der Seitenlänge von ganz- oder halbzahligen Vielfachen der Wellenlänge erreicht wird, sondern bei ungefähr fünf Vierteln, neun Vierteln, dreizehn Vierteln, etc. der Wellenlänge. Die konkreten optimalen Skalierungsfaktoren hängen hierbei jedoch auch von der konkreten Elektrodenstruktur und der Art der Kopplung des Schwingungswandlers zu dem Messrohr bzw. der Seitenwand ab. Ein optimaler Wert in den oben angegebenen Intervallen kann beispielsweise durch eine Simulation des Problems oder empirisch ermittelt werden. Beispielsweise kann bei einer Wellenlänge der geführten Welle von ca. 1,8 mm die Seitenlänge des Schwingungswandlers in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle 4,1 mm sein. Eine Dicke senkrecht zu der Seitenwand des Messrohrs kann gewählt werden, um die Frequenz der Eigenschwingung des Schwingungswandlers an die Frequenz der geführten Welle bei dieser Wellenlänge anzupassen. Beispielsweise kann die Dicke ca. 2 mm sein. Die Breite des Schwingungswandlers senkrecht zur Ausbreitungsrichtung kann im Wesentlichen frei gewählt werden und beispielsweise 10 bis 20 mm sein, um sich beispielsweise über einen Großteil der Breite des Messrohrs zu erstrecken.It has been found within the scope of the invention that optimum mode selectivity is unexpectedly achieved not at the side of integer or half-integer multiples of the wavelength but at approximately five quarters, nine quarters, thirteen quarters, etc. of the wavelength. However, the concrete optimal scaling factors also depend on the specific electrode structure and the type of coupling of the vibration transducer to the measuring tube or the side wall. An optimal value in the intervals given above may be determined, for example, by a simulation of the problem or empirically. For example, at a wavelength of the guided wave of about 1.8 mm, the side length of the vibration transducer in the propagation direction of the guided wave may be 4.1 mm. A thickness perpendicular to the sidewall of the measuring tube may be chosen to match the frequency of the natural vibration of the vibrator to the frequency of the guided wave at that wavelength. For example, the thickness can be about 2 mm. The width of the vibration transducer perpendicular to the direction of propagation can be selected substantially freely and, for example, be 10 to 20 mm, for example, to extend over a large part of the width of the measuring tube.
Die Wellenlänge der geführten Welle kann zwischen 1,6 mm und 2,2 mm, insbesondere zwischen 1,8 mm und 2 mm, sein. Die Steuereinrichtung kann somit dazu eingerichtet sein, eine geführte Welle mit der genannten Wellenlänge und insbesondere einer definierten Frequenz anzuregen.The wavelength of the guided wave can be between 1.6 mm and 2.2 mm, in particular between 1.8 mm and 2 mm. The control device can thus be set up to excite a guided wave having said wavelength and in particular a defined frequency.
Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler können über eine viskose Kopplungsschicht mit dem Messrohr gekoppelt sein. Die Kopplungsschicht kann eine Viskosität von weniger als 108 mPas (Millipascalsekunden), insbesondere eine Viskosität 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 und 100 µm betragen.The first and / or the second vibration transducer may be coupled to the measuring tube via a viscous coupling layer. The coupling layer may have a viscosity of less than 10 8 mPas (millipascal seconds), in particular a viscosity between 0.6 mPas and 10 6 mPas. For example, a silicone oil can be used as a viscous coupling layer whose properties can be further adjusted by additives, such as introduced particles. The layer thickness of the coupling layer can be between 10 and 100 μm.
Die Nutzung einer viskosen Kopplungsschicht ist im erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus mehreren Gründen vorteilhaft. Zum einen kann hierdurch erreicht werden, dass keine oder nur eine geringe Kopplung zwischen dem Schwingungswandler und dem Messrohr bzw. der Seitenwand des Messrohrs bezüglich Scherkräften vorhanden ist. Hierdurch können der Schwingungswandler und das Messrohr bzw. seine Seitenwand bezüglich ihrer Eigenmoden bzw. der Moden der geführten Wellen in guter Nährung als separate Systeme betrachtet werden, wodurch die Auslegung des Schwingungswandlers zur modenselektiven Anregung erleichtert wird.The use of a viscous coupling layer is advantageous in the ultrasonic transducer according to the invention for several reasons. On the one hand, this can achieve that there is no or only a slight coupling between the vibration transducer and the measuring tube or the side wall of the measuring tube with respect to shear forces. As a result, the vibration transducer and the measuring tube or its side wall with respect to their eigenmodes or the modes of the guided waves can be considered in good nutrition as separate systems, whereby the design of the vibration transducer for mode-selective excitation is facilitated.
Gegenüber einer starren Kopplung, beispielsweise einer Verklebung, wird zudem der Vorteil erreicht, dass Verspannungen zwischen Schwingungswandler und Messrohr bei einer Temperaturänderung vermieden werden. In vielen Fällen weisen das Messrohr, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet ist, und der Schwingungswandler, der aus einer Piezokeramik mit aufgebrachten Elektroden besteht, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Aufgrund der viskosen Kopplungsschicht können diese unterschiedlichen Ausdehnungen ausgeglichen werden, ohne dass Verspannungen entstehen und somit beispielsweise eine Klebeschicht über die Zeit brüchig werden kann.Compared to a rigid coupling, for example, a bond, the advantage is also achieved that tensions between the vibration transducer and the measuring tube are avoided with a change in temperature. In many cases, the measuring tube, which is formed for example of metal or plastic, and the vibration transducer, which consists of a piezoceramic with applied electrodes, different thermal expansion coefficients. Due to the viscous coupling layer, these different expansions can be compensated without causing tension and thus, for example, an adhesive layer can become brittle over time.
Vorzugsweise ist die Kopplungsschicht elektrisch isolierend. Somit kann die messrohrseitige Elektrode des Schwingungswandlers z.B. durch die Kopplungsschicht von dem Messrohr isoliert werden, wenn dieses leitfähig ist. Die Kopplungsschicht kann beispielsweise eine dünne Elastomerfolie sein. Es kann eine Folie mit einer Dicke zwischen 5 µm und 80 µm, beispielsweise mit einer Dicke von 20 µm vorgesehen werden. Als Material kann beispielsweise ein dielektrisches Elastomer verwendet werden. Die messrohrseitige Elektrode kann beispielsweise als Elektrodenblech ausgebildet sein, das sich über den Schwingungswandler hinaus erstreckt, um ihre Kontaktierung zu erleichtern.Preferably, the coupling layer is electrically insulating. Thus, the measuring tube side electrode of the vibration transducer can be isolated, for example, by the coupling layer of the measuring tube, if this is conductive. The coupling layer may be, for example, a thin elastomeric film. It can be a film with a thickness between 5 microns and 80 microns, for example, be provided with a thickness of 20 microns. As the material, for example, a dielectric elastomer can be used. The measuring tube-side electrode can, for example be formed as an electrode sheet, which extends beyond the vibration transducer out to facilitate their contact.
Alternativ könnte die Kopplungsschicht elektrisch leitend sein. Insbesondere kann die oder können die messrohrseitigen Elektroden über die Kopplungsschicht kontaktiert sein. Beispielsweise kann die Kopplungsschicht 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.Alternatively, the coupling layer could be electrically conductive. In particular, the or the measuring tube-side electrodes can be contacted via the coupling layer. For example, the coupling layer may have a conductivity of more than 1 S / m (Siemens / meter), in particular more than 10 3 S / m. Preferably, even greater conductivities are realized. However, the said relatively low conductivities may be sufficient since no large currents have to be transported.
Die Kopplungsschicht 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.The coupling layer may contain metallic particles. On the one hand, this can serve to produce the abovementioned conductivity; on the other hand, the viscosity of the layer can be adjusted as required by adding particles.
Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße durch eine 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 piezoelektrischen Schwingungswandler umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Schwingungswandler 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 Schwingungswandler geführt und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfasst werden, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten bestimmt wird, wobei als erster und/oder zweiter Schwingungswandler ein Schwingungswandler verwendet wird, der entweder genau eine messrohrseitige Elektrode, und genau eine messrohrabgewandte Elektrode aufweist, die an einander gegenüberliegenden, zu der Seitenwand des Messrohrs parallelen Seitenflächen des jeweiligen Schwingungswandlers angeordnet sind, oder der mehrere messrohrseitige Elektroden und wenigstens eine messrohrabgewandte Elektrode oder mehrere messrohrabgewandte Elektroden und wenigstens eine messrohrseitige Elektrode aufweist, wobei die Steuereinrichtung die Spannungen zwischen den Elektroden derart vorgibt, dass das Vorzeichen der Spannung zwischen einer jeweiligen messrohrseitigen Elektrode und einer jeweiligen messrohrabgewandten Elektrode für alle Paare aus messrohrseitigen und messrohrabgewandten Elektroden des jeweiligen Schwingungswandlers gleich ist.In addition to the measuring device according to the invention, the invention relates to a method for determining a fluid size concerning a fluid and / or a fluid flow of the fluid by a measuring device comprising a control device, a measuring tube receiving the fluid and / or by the fluid flow-through and a first and a second spaced apart on the measuring tube arranged piezoelectric vibration transducer, wherein the control means of the first and / or the second vibration transducer are driven to excite a guided through a side wall of the measuring tube shaft, wherein the guided wave stimulates compression oscillations of the fluid to the via the fluid in each case led to other vibration transducer and detected there by the control device for determining measurement data, wherein the fluid size is determined by the control device in dependence of the measured data, wherein as the first and / or second vibration transducer a Sch wingungswandler is used, which has either exactly one measuring tube-side electrode, and exactly one electrode away from the electrode tube, which are arranged on opposite, parallel to the side wall of the measuring tube side surfaces of the respective vibration transducer, or the plurality of measuring tube-side electrodes and at least one measuring tube facing away electrode or a plurality of measuring tube facing away electrodes and at least one measuring tube side electrode, wherein the control means predetermines the voltages between the electrodes such that the sign of the voltage between a respective measuring tube side electrode and a respective electrode facing away electrode for all pairs of measuring tube side and measuring tube facing electrodes of the respective vibration transducer is the same.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jenen Merkmalen weitergebildet werden, die zu dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler erläutert wurden. Hierbei werden die dort genannten Vorteile erreicht.The inventive method can be further developed with those features that have been explained to the ultrasonic transducer according to the invention. Here, the advantages mentioned there are achieved.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, -
2 und3 Detailansichten der in1 gezeigten Messeinrichtung aus unterschiedlichen Blickrichtungen, -
4 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, -
5 beispielhaft die Abstimmung des Schwingungswandlers und des Messrohrs aufeinander zur modenselektiven Anregung der geführten Welle, und -
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
-
1 an embodiment of a measuring device according to the invention, -
2 and3 Detailed views of in1 shown measuring device from different directions, -
4 a detailed view of another embodiment of a measuring device according to the invention, -
5 For example, the vote of the vibration transducer and the measuring tube to each other for mode-selective excitation of the guided wave, and -
6 a further embodiment of a measuring device according to the invention.
Um als Fluidgröße eine Durchflussgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die Steuereinrichtung
Um einerseits eine Anordnung der Schwingungswandler
Wie in
Die Kopplungsschicht dient zudem dazu, eine Kopplung zwischen dem Schwingungswandler
Bei der angeregten Lamb-Welle handelt es sich um eine kombinierte Scher- und Druckwelle. Somit resultiert aus der entlang der Seitenwand
Hierbei kann problematisch sein, dass die Dispersionsrelation für Lamb-Wellen in der Seitenwand
Eine derartige Modenselektivität kann erreicht werden, wenn die in
Die Messgenauigkeit bzw. die Robustheit der Messung kann z. B. dadurch weiter verbessert werden, dass ein zusätzlicher Schwingungswandler
Da bereits durch eine entsprechende Wahl der Dimensionen des Schwingungswandlers eine modenselektive Anregung möglich ist, können Elektroden
Die Wirkung einer entsprechenden Wahl der Abmessungen des Schwingungswandlers
Die bisherigen Erläuterungen gingen davon aus, dass eine Laufzeit gemessen wird, nachdem die durch das Fluid geführte Kompressionswelle wenigstens einmal an einer Seitenwand reflektiert wurde. Dies ist jedoch für das erläuterte Messprinzip nicht erforderlich, so dass auch eine Anordnung, wie sie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messeinrichtungmeasuring device
- 22
- Steuereinrichtungcontrol device
- 33
- Messrohrmeasuring tube
- 44
- Innenrauminner space
- 55
- Schwingungswandlervibration transducer
- 66
- Schwingungswandlervibration transducer
- 77
- SeitenwandSide wall
- 88th
- Blockblock
- 99
- Elektrodeelectrode
- 1010
- Elektrodeelectrode
- 1111
- Kopplungsschichtcoupling layer
- 1212
- Dichtelementsealing element
- 1313
- Pfeilarrow
- 1414
- Pfeilarrow
- 1515
- Ultraschallstrahlultrasonic beam
- 1616
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 1717
- Rayleigh-WinkelRayleigh angle
- 1818
- Schwingungswandlervibration transducer
- 1919
- Seitenlängepage length
- 20 20
- Breitewidth
- 2121
- Höheheight
- 2222
- Metallpartikelmetal particles
- 2323
- Dickethickness
- 2424
- Innenflächepalm
- 2525
- Elektrodeelectrode
- 2626
- Elektrodeelectrode
- 2727
- Abstanddistance
- 2828
- Bauchbelly
- 2929
- Knotennode
- 3030
- Knotennode
- 3131
- doppelte Wellenlängedouble wavelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 4735097 A [0003]US 4735097 A [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces“, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002 [0004]G. Lindner, "Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces", J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002 [0004]
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