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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 Schwingungswandler, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Schwingungswandler ansteuerbar sind, um eine durch eine oder eine jeweilige Seitenwand des Messrohrs geführte Welle mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz 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 der Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung.
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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 Reflexionselementen zu einem zweiten Ultraschallwandler geführt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Schwingungswandlern bzw. aus einem Laufzeitunterschied bei der Vertauschung von Sender und Empfänger können eine Durchflussgeschwindigkeit durch das Messrohr und somit bei bekanntem Rohrdurchmesser eine Durchflussmenge bestimmt werden.
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Die Druckschrift
US 4 735 097A 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.
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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.
Sollen geführte Wellen in einer großflächigen Wand, beispielsweise einer Wand eines Rohrs mit großem Durchmesser, angeregt werden, resultieren aus den oben beschriebenen lokalen Anregungen Interferenzmuster, die aus der begrenzten Anregungsbreite resultieren und zu Seitenmaxima und -minima der Anregungsintensität führen. Hierdurch kann die Messgenauigkeit verschlechtert werden bzw. eine Auswertung der Messdaten erschwert werden.
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Dieser Effekt kann dadurch reduziert werden, dass der Bereich, in dem die Anregung erfolgt, vergrößert wird und somit in Interferenzen aufgrund einer kleinen Apertur der Anregung reduziert werden. Mit zunehmender Vergrößerung des Anregungsbereichs steigen jedoch auch der erforderliche Bauraum und die Kosten für die genutzten Anregungselemente. Zudem kann eine Montage dieser Anregungselemente erschwert sein, da beispielsweise bei großen Elementen aus Piezokeramik ein Bruchrisiko bei der Befestigung mit zunehmender Größe steigt.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 119 910 A1 offenbart einen Clamp-On-Ultraschallsensor, der dazu eingerichtet ist, in einer Messrohrwandung wenigstens eine Lambwellen-Mode zu erzeugen. Hierbei wird ein austauschbares Koppelelement genutzt, das mehrere geradlinige Vorsprünge aufweist, über die ein Wandlerelement mit einer Messrohrwand gekoppelt wird.
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Ein Bündel von Wellenleitern zur Führung von Ultraschallsignalen ist aus der Druckschrift
US 5 962 790 A bekannt. Diese Einrichtung kann beispielsweise dazu genutzt werden, Ultraschallwellen über eine Rohrwand eines Durchflussmessers einzukoppeln.
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Im dem Ultraschallwandler gemäß der Druckschrift
DE 10 2017 111 624 A1 wird ein Anpassungselement zur Impedanzanpassung zwischen einem Wandlerelement und einem Medium genutzt. Die von dem Wandlerelement abgewandte Seite des Anpassungselements kontaktiert das Medium im Wesentlichen vollflächig, wobei das Wandlerelement in einem Zwischenbereich durch konzentrische Ringelemente gebildet ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die geführte Wellen zur Messung nutzt, wobei ein ungleichmäßiges Abstrahlprofil aufgrund kleiner Anregungsbereiche mit geringem technischen Aufwand vermieden werden soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der erste und/oder der zweite Schwingungswandler jeweils einerseits in einem ersten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, ersten Kurve erstreckt, oder in mehreren ersten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der ersten Kurve erstrecken, und andererseits in einem zweiten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, zweiten Kurve erstreckt, oder in mehreren zweiten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der zweiten Kurve erstrecken, mit der oder der jeweiligen Seitenwand schwingungsgekoppelt sind, wobei die erste Kurve vollständig innerhalb der zweiten Kurve liegt, und wobei die erste und die zweite Kurve jeweils stets rechtsgekrümmt oder linksgekrümmt sind und an keiner Position der jeweiligen Kurve eine Krümmung gleich Null und somit keinen geraden Abschnitt aufweisen.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kopplungsbereiche kann der erste Kopplungsbereich bzw. können die ersten Kopplungsbereiche zumindest teilweise von dem zweiten Kopplungsbereich bzw. den zweiten Kopplungsbereichen umgeben werden. Die in dem ersten Kopplungsbereich oder in den ersten Kopplungsbereichen eingekoppelte Teilwelle interferiert mit der in dem zweiten Kopplungsbereich oder in den zweiten Kopplungsbereichen eingekoppelten Teilwelle. Hierdurch kann einerseits gezielt eine Interferenz herbeigeführt werden, durch die, wie später noch genauer erläutert werden wird, bestimmte Schwingungsmoden der geführten Welle verstärkt bzw. unterdrückt werden können. Andererseits kann das Abstrahlprofil beeinflusst werden, so dass nicht gewünschte winkelabhängige Intensitätsschwankungen unterdrückt werden können oder gezielt eine Winkelabhängigkeit hergestellt werden kann.
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Der erste Kopplungsbereich bzw. die ersten Kopplungsbereiche können von dem zweiten Kopplungsbereich bzw. den zweiten Kopplungsbereichen beabstandet sein. Durch eine entsprechende Wahl dieses Abstands kann gezielt die resultierende Interferenz beeinflusst werden. Der erste Kopplungsbereich bzw. die ersten Kopplungsbereiche können um einen Zentralbereich herum angeordnet sein, in dem keine Anregung erfolgt. Es ist auch möglich, dass die zweite Kurve von einer oder mehreren weiteren geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten Kurven umgeben sind, wobei sich für jede dieser Kurve ein weiterer Kopplungsbereich entlang der gesamten Länge dieser Kurve erstreckt oder mehrere weitere Kopplungsbereiche sich entlang eines jeweiligen Segments dieser weiteren Kurve erstrecken.
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Der jeweilige Schwingungswandler bzw. Schwingelemente dieses Schwingungswandlers können in den Kopplungsbereichen direkt, beispielsweise durch eine Verklebung, oder indirekt, beispielsweise durch eine viskose Kopplungsschicht und/oder eine Tragestruktur, mit dem Messrohr gekoppelt sein. Die einzelnen Kopplungsbereiche können sich bandförmig, insbesondere mit einer konstanten Breite, entlang der jeweiligen Kurve bzw. des jeweiligen Kurvensegments erstrecken. Die Kurve kann mittig bezüglich einer Breite des jeweiligen Kopplungsbereichs verlaufen. Anders ausgedrückt kann die Ausdehnung des Kopplungsbereichs senkrecht zur jeweiligen Kurve auf beiden Seiten der Kurve gleich sein. Unter einer Kurve, die durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmt ist, ist eine Kurve zu verstehen, die stets rechts- oder linksgekrümmt ist, also an keiner Position der Kurve eine Krümmung gleich Null und somit keinen geraden Abschnitt aufweist.
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Werden mehrere erste bzw. zweite Kopplungsbereiche genutzt, die sich entlang eines jeweiligen Segments der ersten bzw. zweiten Kurve erstrecken, so kann die Summe der Längen der jeweiligen Segmente wenigstens 50 %, insbesondere 70 %, speziell wenigstens 80 %, der Länge der jeweiligen Kurve sein. Es ist somit möglich, dass maximal auf 50 %, 30 % oder 20 % der Kurvenlänge keine Anregung erfolgt. Ergänzend oder alternativ kann der Abstand der einzelnen Segmente der Kurve, entlang denen sich ein jeweiliger Kopplungsbereich erstreckt, kleiner als die Länge, insbesondere kleiner als die Hälfte oder ein Drittel der Länge, des jeweiligen Kopplungsbereichs sein. Die Länge der durch jeweilige Kopplungsbereiche belegten Segmente einer jeweiligen Kurve kann für alle solchen Segmente gleich sein. Das gleiche gilt auch für die Abstände der einzelnen Kopplungsbereiche entlang einer Kurve.
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Vorzugsweise ist jedem der Kopplungsbereiche ein separates Schwingelement, beispielsweise ein piezokeramisches Schwingelement, zugeordnet, das in dem jeweiligen Kopplungsbereich direkt oder indirekt mit dem Messrohr gekoppelt ist. Vorzugsweise werden alle Schwingelemente, die ersten Kopplungsbereichen zugeordnet sind, gemeinsam angesteuert und alle Schwingelemente, die zweiten Kopplungsbereichen zugeordnet sind, gemeinsam angesteuert. Die Ansteuerung für den ersten Kopplungsbereich bzw. die ersten Kopplungsbereiche und den zweiten Kopplungsbereich bzw. die zweiten Kopplungsbereiche kann durch ein gemeinsames Ansteuersignal erfolgen. Hierbei kann das gemeinsame Ansteuersignal dem ersten Kopplungsbereich bzw. den ersten Kopplungsbereichen und dem zweiten Kopplungsbereich bzw. den zweiten Kopplungsbereichen mit gleicher Phase oder mit einem vorgegebenen Phasenversatz bzw. mit gleichen oder unterschiedlichen Vorzeichen zugeführt werden.
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Die Anregungsfrequenz liegt vorzugsweise im Ultraschallbereich und kann beispielsweise größer als 100 kHz und/oder kleiner als 5 MHz sein. Beispielsweise kann die Anregungsfrequenz zwischen 0,5 MHz und 2 MHz liegen. Die Anregungsfrequenz kann in Abhängigkeit der Dispersionsrelation der anzuregenden Seitenwand gewählt bzw. vorgegeben werden. Vorzugsweise wird eine Anregungsfrequenz gewählt, bei der nur genau zwei Schwingungsmoden der Seitenwand, nämlich die niedrigste asymmetrische und die niedrigste symmetrische Schwingungsmode, anregbar sind. Durch eine entsprechende Wahl der relativen Anordnung der Kopplungsbereiche und der Phase bzw. dem Vorzeichen der Anregung der Kopplungsbereiche kann eine der Schwingungsmoden gedämpft und die andere verstärkt werden, womit im Wesentlichen eine modenreine Anregung zumindest in einem bestimmten Bereich des Abstrahlwinkels erreicht werden kann. Eine Anregung von modenreinen geführten Wellen ist für eine Nutzung in einem Ultraschallzähler vorteilhaft, da der Winkel, in dem Kompressionsschwingungen in das Fluid abgestrahlt werden, von der Phasengeschwindigkeit der geführten Welle abhängt, die typischerweise für unterschiedliche Anregungsmoden bei gleicher angeregter Frequenz unterschiedlich ist. Werden verschiedene Moden angeregt, so resultieren verschiedene Ausbreitungspfade für die Kompressionsschwingungen im Fluid, die allenfalls durch eine aufwändige Signalauswertung herausgerechnet werden können.
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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.
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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.
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Als geführte Wellen können vorzugsweise Lamb-Wellen angeregt werden. Eine Anregung von Lamb-Wellen erfolgt, wenn die Wanddicke der Seitenwand mit der Wellenlänge der Transversalwelle im Festkörper vergleichbar ist. Bei Lamb-Wellen handelt es sich um kombinierte Druck- und Scherwellen, womit auch bei einer Anregung an der Außenseite der Seitenwand des Messrohrs eine Auslenkung der Innenfläche der Wand in Richtung des Fluids bzw. von dem Fluid weg resultiert. 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 die Kompressionsschwingung des Fluids in einem ausgedehnten Bereich der Seitenwand wiederum eine geführte Welle anregen, die durch den jeweiligen empfangenen Schwingungswandler erfasst werden kann.
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Die erste Kurve und/oder die zweite Kurve kann jeweils ein Kreis oder eine Ellipse sein. Durch eine kreisförmige oder kreisähnliche Anordnung des jeweiligen Kopplungsbereichs bzw. der jeweiligen Kopplungsbereiche können geführte Wellen angeregt werden, deren Schwingungsmode oder Schwingungsmoden Wellen mit einem kreisförmigen Wellenkranz ausbilden, also insbesondere eine sogenannte „circular-crested Lamb wave“. Da in diesem Fall eine Anregung einer zumindest im Wesentlichen zylindersymmetrischen geführten Welle erfolgt, kann die eingangs diskutierte Ausbildung von Nebenmaxima und - minima vermieden werden und auch bei großen anzuregenden Flächen eine gleichmäßige Anregung erreicht werden. Um das Verhalten für Schwingungsmoden nahe am Ursprung exakt zu beschreiben, wäre eine Beschreibung durch Besselfunktionen erforderlich. Da für die Ausbreitung der geführten Wellen jedoch auch in diesem Fall die Rayleigh-Lamb-Gleichung gilt, sind die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit der geführten Welle auch bei einer im Wesentlichen zylindersymmetrischen Anregung gleich zu der Gruppen- und Phasengeschwindigkeit einer linearen geführten Welle. In einem Abstand von einigen Wellenlängen von dem Ursprungspunkt entspricht das Verhalten einer solchen zylindersymmetrischen Welle mit einem sehr kleinen Fehler von weniger als 0,1 % dem Verhalten einer linearen geführten Welle. Die Welle kann in einem gewissen Abstand zum Mittelpunkt daher näherungsweise wie eine lineare geführte Welle behandelt werden. Somit gilt insbesondere die gleiche Dispersionsrelation, also der gleiche Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Wellenlänge einzelner Moden, die für lineare geführte Wellen in der entsprechenden Seitenwand gilt.
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Die erste Kurve kann ein Kreis sein, wobei der Durchmesser dieses Kreises wenigstens dreieinhalb mal so groß ist wie die Wellenlänge einer anzuregenden Schwingungsmode der anzuregenden geführten Welle bei der Anregungsfrequenz und/oder wobei der Durchmesser ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte dieser Wellenlänge ist. Als Wellenlänge wird in dem obigen Zusammenhang jene Wellenlänge betrachtet, die sich aus der Dispersionsrelation der Seitenwand für die entsprechende Schwingungsmode der linearen geführten Welle und der Anregungsfrequenz ermitteln lässt. Bei einer gegebenen Anregungsfrequenz ist somit eine vorgegebene Anzahl von Wellenlängen für verschiedene Schwingungsmoden möglich. Insbesondere kann die Anregungsfrequenz so gewählt werden, dass nur zwei Schwingungsmoden anregbar sind. Für jene dieser Wellenlängen, die ausschließlich oder vorzugsweise angeregt werden soll, wird die Wellenlänge in der Seitenwand bestimmt, um den Durchmesser des Kreises zu ermitteln.
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Untersuchungen haben ergeben, dass bei einem Durchmesser, der ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte dieser Wellenlänge ist, besonders große Amplituden für diese Schwingungsmode erreicht werden. Es resultiert somit in diesem Fall eine konstruktive Interferenz. Würde das Verhalten der angeregten Schwingungmode auch nahe an dem Ursprung dem Verhalten einer linearen geführten Welle entsprechen, würde eine konstruktive Interferenz bei einem geradzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge erwartet. Aufgrund der oben erläuterten Abweichungen von diesem Verhalten führt im Falle einer kreisförmigen bzw. zylindersymmetrischen Anregung jedoch ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge zu einer konstruktiven Interferenz. Das Vorsehen des obig erläuterten Mindestdurchmessers des Kreises ist vorteilhaft, da in der angegebenen Entfernung das Verhalten der einzelnen Schwingungsmoden bereits in guter Näherung dem Verhalten einer entsprechenden Schwingungsmode einer linear geführten Welle entspricht, so dass die Anordnung des zweiten Kopplungsbereichs bzw. der zweiten Kopplungsbereiche bezüglich dem ersten Kopplungsbereich bzw. der ersten Kopplungsbereiche bereits gemäß der Regeln erfolgen kann, die für eine Überlagerung von linearen geführten Wellen gelten.
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Die erste und die zweite Kurve können jeweils ein Kreis oder eine Ellipse sein, wobei die erste und die zweite Kurve den gleichen Mittelpunkt und/oder die gleiche Exzentrizität aufweisen. Hierdurch kann, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, eine gleichmäßige Anregung über den gesamten Winkelbereich bzw. für das gesamte Umfeld der Kopplungsbereiche erreicht werden.
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Vorzugsweise weisen die erste und die zweite Kurve über ihre gesamte Länge den gleichen Abstand auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste und die zweite Kurve konzentrische Kreise oder konzentrische Ellipsen mit entsprechend angepasster Exzentrizität sind. Wird davon ausgegangen, dass die Ausbreitungsrichtung der geführten Welle im Wesentlichen senkrecht auf der ersten Kurve steht, resultiert hieraus auch ein fester Phasenversatz für eine jeweilige Schwingungsmode mit gegebener Wellenlänge, wenn sie, ausgehend von der ersten Kurve und somit dem ersten Kopplungsbereich bzw. den ersten Kopplungsbereichen, die zweite Kurve und somit den zweiten Kopplungsbereich bzw. die zweiten Kopplungsbereiche erreicht. Dies kann dazu genutzt werden, die Anregung in dem zweiten Kopplungsbereich bzw. in den zweiten Kopplungsbereichen derart, insbesondere mit einem solchen Phasenversatz, durchzuführen, dass für eine bestimmte Schwingungsmode im Wesentlichen in alle Raumwinkel gleichmäßig eine bestimmte konstruktive oder destruktive Interferenz resultiert.
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Somit können der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kurve und eine Phasenlage der Anregung in dem zweiten Kopplungsbereich oder in den zweiten Kopplungsbereichen bezüglich der Anregung in dem ersten Kopplungsbereich oder den ersten Kopplungsbereichen derart gewählt oder wählbar sein, dass die oder eine anzuregende Schwingungsmode der anzuregenden geführten Welle außerhalb der zweiten Kurve konstruktiv interferiert und/oder dass eine zu dämpfende Schwingungsmode der anzuregend geführten Welle außerhalb der zweiten Kurve destruktiv interferiert.
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Eine konstruktive Interferenz kann erreicht werden, wenn der erste und der zweite Schwingungswandler derart eingerichtet bzw. durch die Steuereinrichtung ansteuerbar sind, das die Anregung in dem zweiten Kontaktbereich oder in den zweiten Kontaktbereichen bezüglich der Anregung in dem ersten Kontaktbereich oder in den ersten Kontaktbereichen eine vorgegebene oder vorgebbare Phasenlage aufweist, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kurve gleich der Summe von einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der anzuregenden Schwingungsmode der anzuregend geführten Welle bei der Anregungsfrequenz und dem Produkt dieser Wellenlänge mit der durch 360° geteilten Phasenlage ist. Die Phasenlage ist hierbei in Grad angegeben. Vorzugsweise wird, abgesehen von der Phasenlage und optional einer Anpassung der Amplitude des Anregungssignals, das gleiche Anregungssignal genutzt, um die Anregung in dem ersten Kontaktbereich bzw. den ersten Kontaktbereichen und dem zweiten Kontaktbereich bzw. den zweiten Kontaktbereichen durchzuführen. Somit ergibt sich beispielsweise bei einer gleichphasigen Anregung bei einem Abstand der zwei Kurven von einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge eine konstruktive Interferenz. Ist die relative Phasenlage 180° bzw. ist das Anregungssignal für den zweiten Kontaktbereich bzw. die zweiten Kontaktbereiche gegenüber dem Anregungssignal für den ersten Kontaktbereich bzw. die ersten Kontaktbereiche invertiert, so resultiert eine konstruktive Interferenz bei Abständen, die einem ungeradzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge entsprechen, also beispielsweise bei einem 0,5-fachen, 1,5-fachen und 2,5-fachen der Wellenlänge. Das ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge kann beispielsweise Null, die Wellenlänge, die doppelte Wellenlänge, die dreifache Wellenlänge, etc. sein.
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Eine destruktive Interferenz, insbesondere eine vollständige oder nahezu vollständige Auslöschung einer bestimmten Schwingungsmode, kann erreicht werden, wenn gegenüber dem obigen Zusammenhang der Abstand um eine halbe Wellenlänge geändert wird oder die Phasenlage um 180°. Beispielsweise resultiert bei einer Phasenlage von 180° bzw. einem invertierten Anregungssignal eine destruktive Interferenz bei einem Abstand, der ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
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Durch die Steuereinrichtung können zwei verschiedene Phasenlagen wählbar sein, wobei außerhalb der zweiten Kurve in der ersten Phasenlage die anzuregende Mode konstruktiv interferiert und die zu dämpfende Schwingungsmode destruktiv interferiert und in der zweiten Phasenlage die anzuregende Schwingungsmode destruktiv interferiert und die zu dämpfende Schwingungsmode konstruktiv interferiert.
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Durch Wahl der Phasenlage kann somit die zuvor gedämpfte Schwingungsmode nun verstärkt werden und umgekehrt. Dies ermöglicht eine Wahl der anzuregenden Schwingungsmode. Wird die zu dämpfende Schwingungsmode vollständig ausgelöscht und wird die Anregungsfrequenz derart gewählt, dass bei dieser Frequenz in der Seitenwand aufgrund der Dispersionsrelation nur zwei Schwingungsmoden angeregt werden können, so kann eine modenselektive Anregung erreicht werden, wobei durch die Wahl der Phasenlage gewählt werden kann, welche der beiden möglichen Schwingungsmoden außerhalb der zweiten Kurve überhaupt angeregt wird.
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Eine derartige Modenselektivität kann erreicht werden, wenn die Anregungsfrequenz derart gewählt ist, dass gemäß der Dispersionsrelation der Seitenwand die anzuregende Schwingungsmode die doppelte Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode aufweist oder umgekehrt, wobei der Abstand einem ungeradzahligen Vielfachen der kürzeren Wellenlänge entspricht. Für eine Erzeugung von Lamb-Wellen ist diese Anforderung an die Anregungsfrequenz stets erfüllbar. Erfolgt die Anregung in Phase, so resultiert, wie sich aus den obigen Erläuterungen ergibt, eine konstruktive Interferenz für die kürzere Wellenlänge, während die längere Wellenlänge vollständig oder nahezu vollständig unterdrückt wird. Wird eine Phasenlage von 180° gewählt, beispielsweise indem das Ansteuersignal für den ersten Kopplungsbereich bzw. die ersten Kopplungsbereiche oder für den zweiten Kopplungsbereich bzw. die zweiten Kopplungsbereiche invertiert wird, wird hingegen die Schwingungsmode mit der längeren Wellenlänge angeregt, während die kurzwellige Schwingungsmode vollständig oder nahezu vollständig unterdrückt wird. Bei den beiden Schwingungsmoden kann es sich insbesondere um die niedrigste asymmetrische und die niedrigste symmetrische Schwingungsmode der Lamb-Welle handeln. Eine Invertierung der Anregung kann elektrisch erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die Beschaltung des Schwingungswandlers bzw. der Schwingelemente zu wechseln, beispielsweise indem die Beschaltung von zwei Elektroden eines jeweiligen Schwingelements vertauscht wird.
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Bei der Nutzung von konzentrischen Kreisen als erste und zweite Kurve kann eine besonders hohe Modenreinheit erreicht werden. Andererseits kann eine vollständig zylindersymmetrische Abstrahlung der geführten Welle zu einer Mehrwegausbreitung zwischen den Schwingungswandlern führen, was die Auswertung der Messdaten erschweren kann. Daher kann es vorteilhaft sein, dass die erste und die zweite Kurve zwar den gleichen Abstand aufweisen, jedoch Ellipsen sind oder eine andere Form aufweisen. Hierdurch kann über einen relativ großen Bereich eine Wellenfront abgestrahlt werden, die nur eine geringfügige Krümmung aufweist.
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In einigen Anwendungsfällen kann es auch gewünscht sein, eine Winkelabhängigkeit der Amplitude der abgestrahlten geführten Welle bzw. einzelner Schwingungsmoden der geführten Welle gezielt herzustellen. Beispielsweise kann es möglich sein, dass in eine Abstrahlrichtung primär eine erste Schwingungsmode und in eine andere Abstrahlrichtung primär eine andere Schwingungsmode abgestrahlt werden soll. Eine Winkelabhängigkeit kann hergestellt werden, wenn die erste und zweite Kurve jeweils ein Kreis oder eine Ellipse ist, wobei die erste und die zweite Kurve unterschiedliche Mittelpunkte und/oder unterschiedliche Exzentrizitäten aufweisen. Hieraus resultiert eine kontinuierliche Änderung des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Kurve und somit ein kontinuierlicher Übergang zwischen einer konstruktiven und einer destruktiven Interferenz einzelner Schwingungsmoden mit dem Raumwinkel. Beispielsweise können die erste und die zweite Kurve Kreise sein, die derart gegeneinander verschoben sind, dass der maximale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kurve einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge einer bestimmten Schwingungsmode entspricht, während der minimale Abstand auf der gegenüberliegenden Seite einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Somit wird diese Schwingungsmode in eine Abstrahlrichtung verstärkt und in die gegenüberliegende Abstrahlrichtung im Wesentlichen vollständig bedämpft. Da die Variation des Abstands kontinuierlich erfolgt, resultieren im Wesentlichen keine Interferenzen aufgrund der endlichen Größe des Anregungsbereichs.
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Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler können für den ersten Kopplungsbereich oder die ersten Kopplungsbereiche und für den zweiten Kopplungsbereich oder die zweiten Kopplungsbereiche jeweils separate Schwingelemente umfassen, die in dem jeweiligen Kopplungsbereich mit dem Messrohr schwingungsgekoppelt sind. Vorzugsweise wird genau ein Schwingelement pro Kopplungsbereich verwendet. Vorzugsweise werden jedoch zumindest die Schwingelemente des ersten Kopplungsbereichs bzw. der ersten Kopplungsbereiche mit dem gleichen Anregungssignal und phasengleich angesteuert und die Schwingelemente des zweiten Kopplungsbereichs bzw. der zweiten Kopplungsbereiche mit dem gleichen Anregungssignal und phasengleich angesteuert. Wie bereits erläutert werden vorzugsweise auch die gleichen Anregungssignale für den ersten und zweiten Kopplungsbereich bzw. für die ersten und zweiten Kopplungsbereiche genutzt, wobei die Anregung phasengleich oder mit festem Phasenversatz oder mit gleicher oder entgegengesetzter Anregungsrichtung erfolgen kann.
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Die Schwingelemente können piezoelektrische Schwingelemente sein. Insbesondere wird für alle Schwingelemente eine Schwingung senkrecht zur Rohrwand angeregt. Eine derartige Schwingung kann beispielsweise angeregt werden, indem eine Wechselspannung zwischen einer der Seitenwand zugewandten und einer von der Seitenwand abgewandten Elektrode des Schwingelements angelegt wird. Die von der Seitenwand abgewandte Elektrode kann direkt kontaktiert werden, da sie auch nach dem Anbringen des Schwingelements an der Seitenwand zugänglich ist. Zur Kontaktierung der der Seitenwand zugewandten Elektrode ist es möglich, dass diese als Blechelektrode ausgebildet ist, die über das Schwingelement hinausragt, dass diese zumindest teilweise um das Schwingelement herumgeführt ist und beispielsweise in einem kleinen Bereich auch auf der von der Seitenwand abgewandten Seite des Schwingelements aufliegt oder dass eine Kontaktierung über eine leitende, insbesondere viskose, Kopplungsschicht erfolgt, über die die Schwingungskopplung des Schwingelements mit der Seitenwand erfolgt. Die Elektroden können - insbesondere bei Vorliegen einer Umkontaktierung - aber auch als durch einen Sputter- oder Siebdruckprozess aufgebrachte Schichten ausgeführt sein.
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Die Anregungsfrequenz kann gleich einer Resonanzfrequenz der Schwingelemente oder wenigstens eines der Schwingelemente sein. Insbesondere ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass in der Messeinrichtung die Anregung stets mit der gleichen Anregungsfrequenz erfolgt. Die Anregungsfrequenz kann insbesondere die Resonanzfrequenz wenigstens eines der Schwingelemente, vorzugsweise aller Schwingelemente, für eine Schwingung senkrecht zur Seitenwand sein.
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Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler können jeweils mehrere voneinander beabstandete Anregungsgruppen aufweisen, die jeweils einerseits in einem ersten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, ersten Kurve erstreckt, oder in mehreren ersten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der ersten Kurve erstrecken, und andererseits in einem zweiten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, zweiten Kurve erstreckt, oder in mehreren zweiten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der zweiten Kurve erstrecken, mit der oder der jeweiligen Seitenwand schwingungsgekoppelt sein, wobei die jeweilige erste Kurve vollständig innerhalb der jeweiligen zweiten Kurve liegt. Anders ausgedrückt wird die vorangehend beschriebene Anregungsgruppe aus ersten und zweiten Kopplungsbereichen, die sich entlang einer jeweiligen ersten bzw. zweiten Kurve erstrecken, mehrmals an einer Seitenwand angeordnet, um den ersten bzw. den zweiten Schwingungswandler zu bilden. Die Anregungsgruppen können linear nebeneinander angeordnet werden, es wäre aber auch möglich, sie in einer Matrixform anzuordnen oder sie entlang einer gekrümmten oder geknickten Linie, beispielsweise in V-Form, anzuordnen. Vorzugsweise erfolgt eine synchrone Anregung in allen ersten Kopplungsbereichen und eine synchrone Anregung in allen zweiten Kopplungsbereichen. Die Nutzung mehrerer Anregungsgruppen kann zum einen dazu dienen, die geführte Welle in einer sehr großen Fläche anzuregen. Zum anderen können mehrere Anregungsgruppen genutzt werden, um zumindest im Fernfeld eine ebene Wellenfront zu generieren.
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Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Messreinrichtung 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 Schwingungswandler, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Schwingungswandler angesteuert werden, um eine durch eine oder eine jeweilige Seitenwand des Messrohrs geführte Welle mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Schwinungungswandler 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 als erster und/oder zweiter Schwingungswandler ein Schwingungswandler verwendet wird, der einerseits in einem ersten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, ersten Kurve erstreckt, oder in mehreren ersten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der ersten Kurve erstrecken, und andererseits in einem zweiten Kopplungsbereich, der sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, zweiten Kurve erstreckt, oder in mehreren zweiten Kopplungsbereichen, die sich jeweils entlang eines Segments der zweiten Kurve erstrecken, mit der oder der jeweiligen Seitenwand schwingungsgekoppelt ist, wobei die erste Kurve vollständig innerhalb der zweiten Kurve liegt, und wobei die erste und die zweite Kurve jeweils stets rechtsgekrümmt oder linksgekrümmt sind und an keiner Position der jeweiligen Kurve eine Krümmung gleich Null und somit keinen geraden Abschnitt aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung diskutierten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden und umgekehrt. Insbesondere kann die Anregungsfrequenz so vorgegeben werden, dass, wie zu der erfindungsgemäßen Messeinrichtung beschrieben wurde, gezielt konstruktive oder destruktive Interferenzen für einzelne Schwingungsmoden realisiert werden bzw. so, dass im Wesentlichen eine modenreine Anregung an einer einzigen Schwingungsmode erfolgt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, durch die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführbar ist,
- 2 und 3 Detailansichten eines Schwingungswandlers, der in 1 gezeigten Messeinrichtung,
- 4 und 5 Detailansichten eines Schwingelements des in den 2 und 3 gezeigten Schwingungswandlers, und
- 6 - 10 Detailansichten verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, die unterschiedlich aufgebaute Schwingungswandler aufweisen.
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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 Schwingungswandler 5 zu einem zweiten Schwingungswandler 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.
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Um einerseits eine Anordnung der Schwingungswandler 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 Schwingungswandler 5 nicht direkt ein Ultraschallstrahl 8, also eine Druckwelle, in dem Fluid induziert. Stattdessen wird durch den Schwinungswandler 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.
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Die durch den Schwingungswandler 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 Schwingungswandler 6 erfasst werden kann, um die Laufzeit zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die abgestrahlten Ultraschallwellen über einen Schwingungswandler 15 zu erfassen, der an der Seitenwand 12 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallstrahlen 8 auf ihrem Pfad zum Schwingungswandler 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.
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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 Anregungsfrequenz wäre es somit möglich, dass unterschiedliche Schwingungsmoden für die Lamb-Welle angeregt werden, die unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. Dies würde dazu führen, dass die Kompressionswellen in Abhängigkeit dieser Phasengeschwindigkeit in unterschiedlichen Rayleigh-Winkeln 14 abgestrahlt werden. Hieraus resultieren verschiedene Pfade für die Führung der Ultraschallwelle von dem Schwingungswandler 5 zu dem Schwingungswandler 6 und umgekehrt, die typischerweise unterschiedliche Laufzeiten aufweisen. Die empfangenen Signale für diese verschiedenen Ausbreitungspfade müssten somit durch eine aufwendige Signalverarbeitung durch die Steuereinrichtung 2 separiert werden, um die Fluidgröße bestimmen zu können. Eine modenselektive Anregung kann dadurch erreicht werden, dass eine Anregung durch den jeweiligen Schwingungswandler 5, 6 in mehreren Kopplungsbereichen erfolgt. Durch eine entsprechende Wahl des Abstands der Kopplungsbereiche und der relativen Phasenlage der Anregung kann für einzelne Moden gezielt eine konstruktive oder destruktive Interferenz dieser Anregungen hergestellt werden, wodurch beispielsweise eine von zwei anregbaren Schwingungsmoden verstärkt und die andere teilweise oder vollständig unterdrückt werden kann.
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Soll eine derartige Anregung jedoch auf einer Fläche erfolgen, die groß gegenüber der Fläche der Kopplungsbereiche ist, kann, wie bereits eingangs erläutert, ein ungleichmäßiges Anregungsprofil mit Nebenmaxima und -minima resultieren. Dies führt zum einen dazu, dass unter Umständen bestimmte Bereiche des Strömungsquerschnitts bei der Messung nicht berücksichtigt werden können, da sie nicht von der angeregten Kompressionsschwingung des Fluids durchquert werden, zum anderen kann ein derart unregelmäßiges Abstrahlprofil die Auswertung der Messdaten erschweren. Die Schwingungswandler 5, 6 der Messeinrichtung 1 sind daher derart ausgebildet, dass ein möglichst gleichmäßiges Anregungsprofil erreicht werden kann. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf die 2 und 3 im Detail erläutert.
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2 zeigt eine Detailansicht des Schwingungswandlers 5. Der Schwingungswandler 5 weist einen ersten Kopplungsbereich 16 und einen zweiten Kopplungsbereich 18 auf, die voneinander beabstandet sind. Der erste Kopplungsbereich 16 erstreckt sich durchgehend entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, ersten Kurve 17. Entsprechend erstreckt sich der zweite Kopplungsbereich entlang der gesamten Länge einer geschlossenen, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmten, zweiten Kurve 19. Die erste Kurve 17 liegt vollständig innerhalb der zweiten Kurve 19. Die Kopplungsbereiche 16, 18 weisen über ihre gesamte Länge die gleiche Breite auf. Eine Winkelunabhängigkeit der abgestrahlten geführten Welle wird dadurch erreicht, dass eine zylindersymmetrische Anregungsgeometrie gewählt wird. Hierbei sind die erste und zweite Kurve konzentrische Kreise, die einen gemeinsamen Mittelpunkt 27 aufweisen.
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Der Schwingungswandler 5 weist zwei Schwingelemente 20, 21 auf, die, wie in 3 dargestellt ist, in den Kopplungsbereichen 16, 18 die Seitenwand 9 jeweils über eine viskose Kopplungsschicht 22, 23 kontaktieren. Alternativ wäre es möglich, dass die Schwingelemente 20, 21 unmittelbar das Messrohr 9 kontaktieren und beispielsweise auf das Messrohr 9 aufgeklebt sind. Durch die Nutzung der viskosen Kopplungsschicht 22, 23 kann jedoch eine Materialbeanspruchung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Seitenwand 9 und der Schwingelemente 20, 21 vermieden werden. Prinzipiell wäre es auch möglich, zwischen den Schwingelementen 20, 21 und der Seitenwand 9 ein zusätzliches Kopplungselement vorzusehen, durch das beispielsweise das jeweilige Schwingelement 20, 21 gehaltert sein kann.
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Die 4 und 5 zeigen Detailansichten des Schwingelements 20, die den Aufbau des Schwingelements 20 und dessen Verbindung zu der Steuereinrichtung 2 zeigen. Das Schwingelement 20 ist ein piezoelektrisches Schwingelement. Es umfasst einen Ring 24 aus Piezokeramik oder einem anderen Material, das sich bei Spannungsbeaufschlagung ausdehnt oder zusammenzieht. An der Oberseite ist eine umlaufende Elektrode 25 angeordnet, die im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Rings 24 bedeckt. Entsprechend ist an der Unterseite eine weitere Elektrode 26 angeordnet. Um die Elektrode 26 leichter kontaktieren zu können, ist sie in einem Abschnitt des Rings 24 um den Ring herumgeführt und kann deshalb ebenfalls von der Oberseite her kontaktiert werden.
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Die Steuereinrichtung 2 kann beispielsweise eine der Elektroden 26, 25 auf ein Referenzpotential, insbesondere das Massepotenzial, ziehen und die andere Elektrode 25, 26 mit einer Wechselspannung beaufschlagen. Hierdurch oszilliert die Ausdehnung des Rings 24 senkrecht zur Seitenwand 9, womit senkrecht zur Seitenwand 9 in dem Kopplungsbereich 16 Schwingungen in die Seitenwand 9 eingekoppelt werden. Hierbei können die Schwingelemente 20, 21 mit dem gleichen Anregungssignal mit der gleichen Phasenlage angesteuert werden, um eine synchrone Anregung in beiden Kopplungsbereichen 16, 18 zu erreichen. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Steuereinrichtung 2 eine Phasenverschiebung zwischen diesen Anregungen vorgeben kann beziehungsweise das Anregungssignal für eines der Schwingelemente 20, 21 invertieren kann, um somit eine Gegenphasige Anregung zu erreichen. Dies kann, wie im Folgenden genauer erläutert werden wird, zur Auswahl der anzuregenden Mode dienen.
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Wie bereits erwähnt, soll durch den in 2 und 3 dargestellten Schwingungswandler eine Anregung von geführten Wellen erfolgen, bei der die Abstrahlung zylindersymmetrisch erfolgt. Es werden somit Schwingungsmoden der Seitenwand 9 angeregt, die ebenfalls eine Zylindersymmetrie aufweisen. Werden beispielsweise Lamb-Wellen angeregt, so sind dies die Schwingungsmoden sogenannter „Circular Crested Lamb-Waves“. Nahe dem Symmetriezentrum, also dem Mittelpunkt 27 der durch die Kurven 17, 19 gebildeten Kreise, weicht eine solche Schwingungsmode deutlich von einer linearen Schwingungsmode ab. Da die Ausbreitung der geführten Welle jedoch den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgen muss wie die Ausbreitung einer linearen Schwingungsmode, gilt in ausreichendem Abstand von dem Mittelpunkt 27, abgesehen von vernachlässigbaren Abweichungen, die Dispersionsrelation für die Ausbreitung geführter, linearer Wellen in der Seitenwand 9. Wird ein ausreichend großer Durchmesser 28 des durch die Kurve 17 gebildeten Kreises gewählt, kann durch Wahl der relativen Phase der Anregungssignale für die Kopplungsbereiche 16 und 18 und des Abstands 29 zwischen den Kurven 17, 19 für eine Schwingungsmode mit einer gegebenen Wellenlänge vorgebeben werden, ob diese außerhalb der Kurve 19 destruktiv oder konstruktiv interferieren soll. Erfolgt die Anregung in dem zweiten Kontaktbereich 18 bezüglich der Anregungen im ersten Kontaktbereich 16 mit einer vorgegebenen Phasenlage und der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kurve 17, 19 ist gleich der Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge einer Schwingungsmode bei der vorgegebenen Anregungsfrequenz und dem Produkt dieser Wellenlänge mit der durch 360° geteilten Phasenlage, so resultiert eine konstruktive Interferenz. Durch Änderung dieser relativen Phasenlage um 180° oder Änderung des Abstands um eine halbe Wellenlänge, kann eine destruktive Interferenz realisiert werden.
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Dieser Zusammenhang kann für eine modenreine Anregung genutzt werden, wenn die vorgegebene Anregungsfrequenz so gewählt ist, dass nur genau zwei Schwingungsmoden anregbar sind und die Wellenlänge einer dieser Schwingungsmoden genau doppelt so groß ist wie die Wellenlänge der anderen Schwingungsmode. Dies ist bei einer Anregung von Lamb-Wellen stets möglich, wenn die Dispersionsrelation der Seitenwand 9 bekannt ist. Der Abstand 29 wird durch entsprechende Wahl der Radien der Kreise derart vorgegeben, dass er der Wellenlänge der Schwingungsmode mit der kürzeren Wellenlänge entspricht. Somit resultiert bei einer gemeinsamen Ansteuerung der Schwingelemente 20, 21 und somit einer phasensynchronen Anregung in den Kontaktbereichen 16, 18 eine konstruktive Interferenz für jene Schwingungsmode, die die kürzere Wellenlänge aufweist. Für jene Schwingungsmode, die die längere Wellenlänge aufweist, resultiert hingegen eine destruktive Interferenz und eine im Wesentlichen vollständige Unterdrückung dieser Schwingungsmode. Aufgrund der zylindersymmetrischen Anregung wird somit genau eine Schwingungsmode mit im Wesentlichen gleicher Amplitude in alle Winkel abgestrahlt.
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Wird nun das Ansteuersignal für einen der Schwingungswandler 20, 21 invertiert, entspricht dies der Anregung in den Kontaktbereichen 16, 18 mit einer relativen Phasenlage von 180°. Hieraus resultiert eine konstruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der längeren Wellenlänge, da die Wellenlänge dieser Schwingungsmode doppelt so groß wie der Abstand 29 ist. Gleichzeitig resultiert eine destruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der kürzeren Wellenlänge, wodurch diese im Wesentlichen vollständig unterdrückt wird. Durch einen Wechsel der Polarität des Ansteuersignals für einen der Schwingungswandler 20, 21 kann somit die durch den Schwingungswandler 5 abgestrahlte Schwingungsmode gewechselt werden. Bei der in 1 gezeigten Messeinrichtung 1 resultieren für unterschiedliche Schwingungsmoden unterschiedliche Rayleigh-Winkel 14 und somit auch unterschiedliche Ausbreitungspfade. Daher kann die Messung mit unterschiedlichem Ausbreitungspfaden wiederholt werden. Dies kann einerseits dazu dienen, eine Redundanz für die Ergebnisse bereitzustellen. Andererseits können hierüber beispielsweise Informationen über ein Strömungsprofil oder weitere Eigenschaften des Fluids gewonnen werden.
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Aufgrund der zylindersymmetrischen Anregung und dem hieraus resultierenden Schwingungsprofil, das im Bereich des Mittelpunkts 27 stark von dem Schwingungsprofil einer linearen geführten Welle abweicht, sollte der Durchmesser 28 der Kurve 17 ausreichend groß gewählt werden. Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, dass eine maximale Amplitude für eine anzuregende Schwingungsmode der anzuregenden geführten Welle erreicht wird, wenn der Durchmesser 28 ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge der anzuregenden Mode ist. Es wurde erkannt, dass der Durchmesser 28 vorzugsweise wenigstens dreieinhalb Mal so groß ist wie diese Wellenlänge.
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6 zeigt eine Abwandlung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels. Hierbei sind entlang der ersten und zweiten Kurve 17, 19 jeweils mehrere erste beziehungsweise zweite Kopplungsbereiche 30, 32 vorgesehen. Jedem dieser Kopplungsbereiche 30, 32 ist ein separates Schwingelement 31, 33 zugeordnet, das in dem jeweiligen Kopplungsbereich 30, 32 wie vorangehend erläutert mit der Seitenwand 9 schwingungsgekoppelt ist.
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Gegenüber den relativ großen, ringförmigen Schwingelementen 20, 21, die im vorangehenden Ausführungsbeispiel genutzt werden, sind die kleineren Schwingelemente 31, 33 leichter herstell- und handhabbar. Insbesondere ist die Gefahr eines Bruchs eines Piezokeramischen Schwingelements im Rahmen der Herstellung bei der Nutzung mehrerer einzelner Schwingelemente 31, 33 beziehungsweise Kontaktbereiche 30, 32 für jede der Kurven 17, 19 geringer.
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Werden die Abstände 51 zwischen den Kontaktbereichen 30, 32 wesentlich kleiner gewählt als die Länge 50 der Kontaktbereiche 30, 32, beispielsweise um den Faktor 5, 10 oder 20 kleiner, so resultiert zumindest im Fernfeld trotz der gebrochenen Rotationssymmetrie des Schwingungswandlers fällt eine im Wesentlichen zylindersymmetrische Anregung.
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Die vorangehenden Ausführungsbeispiele gingen von einer zylindersymmetrischen Abstrahlung der geführten Welle durch den jeweiligen Schwingungswandler aus. Von diesem Vorgehen wird in dem in 7 gezeigten Schwingungswandler 5 abgewichen. Die Kurven 34, 35, entlang denen sich der erste und zweite Kopplungsbereich 36, 37 erstrecken, sind in diesem Fall Ellipsen. Die Ellipsen weisen jedoch einen gemeinsamen Mittelpunkt 39 auf und ihre Exzentrizität ist so gewählt, dass der Abstand 38 zwischen den Kurven 34, 35 entlang der Kurven 34, 35 konstant ist. Hieraus resultieren die gleichen Inteferenzbedingungen für die Abstrahlung der geführten Welle in alle Raumwinkel, womit im Wesentlichen weiterhin eine modenselektive Abstrahlung in alle Raumwinkel erfolgen kann. Durch die Ellipsenform des Schwingungswandlers 5 wird jedoch erreicht, dass die geführte Welle in die durch den Pfeil gezeigte Durchflussrichtung der Messereinrichtung näherungsweise als ebene Wellenfront abgestrahlt wird. Dies kann die Auswertung der Messdaten erleichtern. Aufgrund der Abweichung der Kurve 34 von der Kreisform variiert winkelabhängig die Intensität, mit der die geführte Welle abgestrahlt wird. Durch eine entsprechende Wahl der Länge der langen und kurzen Achse der durch die Kurve 34 gebildeten Ellipse kann die Intensität für die in die Durchflussrichtung abgestrahlte geführte Welle maximiert werden. Beispielsweise kann der Durchmesser der Kurve 34 in diese Richtung ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der anzuregenden Schwingungsmode sein, womit, wie vorangehend erläutert, eine maximale Abstrahlamplitude erreicht werden kann.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel könnte auch von der Ellipsenform der Kurven 34, 35 abgewichen werden. Wesentlich für die erläuterte Modenselektivität ist jedoch, dass der Abstand 38 zwischen den Kurven 34, 35 konstant ist. In einigen Fällen kann es auch gewünscht sein, in unterschiedlichen Raumwinkeln unterschiedliche Schwingungsmoden beziehungsweise Mischungen von Schwingungsmoden abzustrahlen. Ein Beispiel hierfür ist in 8 dargestellt. Wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen weist der Schwingungswandler 5 zwei Kopplungsbereiche 41, 42 auf, die entlang jeweiliger geschlossener Kurven 39, 40 verlaufen. Die Kurven 39, 40 sind jedoch so gewählt, dass der Abstand 43, 52 zwischen den Kurven 39, 40 mit dem Abstrahlwinkel variiert. Dies kann, wie im gezeigten Beispiel, dadurch erreicht werden, dass Ellipsen mit unterschiedlichen Mittelpunkten als Kurven 39, 40 genutzt werden. Es könnten jedoch auch nicht konzentrische Kreise oder andere Kurven verwendet werden, entlang denen sich der Kontaktbereich beziehungsweise entlang deren Segmenten sich die Kontaktbereiche erstrecken. Wird beispielsweise wie vorangehend erläutert eine Anregungsfrequenz gewählt, bei der genau zwei Schwingungsmoden anregbar sind, so kann der Abstand 52, so gewählt werden, dass er der Wellenlänge der langwelligeren Schwingungsmode entspricht und der Abstand 43 so gewählt werden, dass er der Wellenlänge mit der kürzeren Wellenlänge entspricht. Somit resultiert in Richtung des Pfeils 7, also in Durchflussrichtung, eine konstruktive Interferenz der Schwingungsmode mit der längeren Wellenlänge und entgegen dieser Richtung eine konstruktive Interferenz der Schwingungsmode mit der kürzeren Wellenlänge. Somit kann in Durchflussrichtung primär eine Schwingungsmode entgegen der Durchflussrichtung primär eine andere Schwingungsmode und in den dazwischenliegenden Abstrahlwinkeln eine Mischung dieser Schwingungsmoden abgestrahlt werden.
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9 zeigt eine Detailansicht einer Messeinrichtung, bei der eine sehr großflächige Seitenwand 9 angeregt werden soll. Der Schwingungswandler weist hierbei mehrere voneinander beabstandete Anregungsgruppen 44 auf, die entlang einer Linie 45 mit regelmäßigem Abstand 46 angeordnet sind. Jede dieser Anregungsgruppen 44 weist einen ersten Kopplungsbereich 16 und einen zweiten Kopplungsbereich 18 auf, die wie zur 2 erläutert eingerichtet sein können und angesteuert werden können. Jede der Anregungsgruppen 44 realisiert somit eine zylindersymmetrische modenselektive Anregung und kann somit als Punktquelle für eine modenselektive Anregung betrachtet werden. Durch die Nutzung mehrerer Anregungsgruppen und somit mehrerer Punktquellen kann im Fernfeld näherungsweise eine eben Wellenfront der geführten Welle erreicht werden.
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Die bisherigen Ausführungsbeispiele gingen davon aus, dass zwei Kurven mit darauf angeordneten Kopplungsbereichen genutzt werden, um eine gezielte Interferenz zwischen den in den verschiedenen Kopplungsbereichen angeregten Wellen herbeizuführen. Eine Modenselektivität kann in einigen Fällen weiter verbessert werden, wenn mehr als zwei geschlossene, durchgehend in die gleiche Richtung gekrümmte Kurven genutzt werden, die ineinander angeordnet sind und entlang denen die jeweiligen Kontaktbereiche angeordnet sind. Ein Beispiel hierfür ist in 10 gezeigt. Dort werden drei ringförmige konzentrisch angeordnete Kontaktbereiche 47, 48, 49 genutzt, wobei die Abstände und die jeweiligen Phasenlagen für die Kontaktbereiche 47, 48, 49 gemäß der gewünschten Modenselektivität gewählt werden, wie bereits vorangehend erläutert wurde.
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Die in den 7-10 gezeigten Ausführungsbeispielen nutzen jeweils einen durchgängigen Kontaktbereich, der sich entlang der gesamten jeweiligen Kurve erstreckt. Es wäre hierbei selbstverständlich auch möglich, dass stattdessen, wie zu 6 erläutert wurde, mehrere Kontaktbereiche genutzt werden, die sich jeweils nur entlang eines Segments der jeweiligen Kurve erstrecken. In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen wäre es auch möglich, in den in 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen statt konzentrischen Kreisen andere Kurven, beispielsweise Ellipsen oder Kreise mit voneinander unterschiedlichen Mittelpunkten zu nutzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messeinrichtung
- 2
- Steuereinrichtung
- 3
- Messrohr
- 4
- Innenraum
- 5
- Schwingungswandler
- 6
- Schwingungswandler
- 7
- Pfeil
- 8
- Ultraschallstrahl
- 9
- Seitenwand
- 10
- Dicke
- 11
- Pfeil
- 12
- Seitenwand
- 13
- Pfeil
- 14
- Rayleigh-Winkel
- 15
- Schwingungswandler
- 16
- Kopplungsbereich
- 17
- Kurve
- 18
- Kopplungsbereich
- 19
- Kurve
- 20
- Schwingelement
- 21
- Schwingelement
- 22
- Kopplungsschicht
- 23
- Kopplungsschicht
- 24
- Ring
- 25
- Elektrode
- 26
- Elektrode
- 27
- Mittelpunkt
- 28
- Durchmesser
- 29
- Abstand
- 30
- Kopplungsbereich
- 31
- Schwingelement
- 32
- Kopplungsbereich
- 33
- Schwingelement
- 34
- Kurve
- 35
- Kurve
- 36
- Kopplungsbereich
- 37
- Kopplungsbereich
- 38
- Abstand
- 39
- Kurve
- 40
- Kurve
- 41
- Kopplungsbereich
- 42
- Kopplungsbereich
- 43
- Abstand
- 44
- Anregungsgruppe
- 45
- Linie
- 46
- Abstand
- 47
- Kontaktbereich
- 48
- Kontaktbereich
- 49
- Kontaktbereich
- 50
- Abstand
- 51
- Länge
- 52
- Abstand
