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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 das Messrohr 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 durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße.
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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 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.
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Bei einer direkten Einkopplung der Ultraschallwellen in das Fluid wird typischerweise nur ein Bruchteil des durchströmten Volumens zwischen den Ultraschallwandlern durch die eingestrahlten Ultraschallwellen durchquert, womit auch nur Informationen aus diesem Teilvolumen genutzt werden können. Dies kann zu einer starken Abhängigkeit der Messgröße von dem Strömungsprofil führen, wobei sich das Strömungsprofil in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit oder von anderen Faktoren ändern kann. Diese Strömungsprofilabhängigkeit kann typischerweise nur teilweise kompensiert werden, womit aus der unvollständigen Berücksichtigung des Strömungsprofils Messfehler resultieren können.
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Der berücksichtigte Bereich des Volumens zwischen den Ultraschallwandlern kann vergrößert werden, wenn das Fluid nicht direkt angeregt wird, sondern zunächst geführte Wellen, insbesondere Lamb-Wellen, in einer Seitenwand des Messrohrs angeregt werden, die wiederum das Fluid zu Kompressionsschwingungen anregen. Ansätze zur Einkopplung geführter Wellen in eine Wand des Messrohrs sind beispielsweise aus der Druckschrift
US 4735097 A und aus dem Artikel G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acustic waves propagating along solid-liquid interfaces“, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002, bekannt.
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Da Ultraschallpulse eine gewisse Länge aufweisen, ist es in Fällen, in denen eine Mehrwegeausbreitung erfolgt, möglich, dass auf unterschiedlichen Wege geführte Pulse überlappen. Hierbei entspricht die Pulslänge in einem stark bedämpften System im Wesentlichen der Dauer der elektrischen Anregung. In typischen Systemen klingt eine angeregte Schwingung jedoch über eine gewisse Zeit ab, so dass ein zeitlich ausgedehnterer Puls resultiert. Überlagern Pulse, die über unterschiedliche Ausbreitungspfade zu einem Empfänger geführt wurden, mit einer gleichen Phasenlage, tritt eine relativ kleine Verzögerung auf und weist der Puls kein langes Nachschwingen auf, so führt die Überlagerung lediglich dazu, dass der resultierende Puls verlängert und sein Maximum gegenüber dem Zeitpunkt des Einlaufens des ersten Pulses geringfügig zeitlich verschoben wird. Hieraus resultieren relativ kleine Messfehler. Eine phasenverschobene Überlagerung kann jedoch, insbesondere in Verbindung mit langen Nachschwingzeiten, zu einem empfangenen Signal führen, dessen einhüllende Amplitudenkurve deutlich von der Addition der Amplitudenkurven der einzelnen Pulse abweicht. Beispielsweise können zwar scheinbar zwei empfangene Pulse resultieren, von denen jedoch ein Puls aufgrund einer Phasenauslöschung am eigentlichen Maximum der Überlagerung scheinbar zeitlich nach vorne verlagert und der andere deutlich zeitlich nach hinten verlagert ist. Bei derartigen komplexen Überlagerungen ist es in einigen Fällen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich, die tatsächlichen Signallaufzeiten zu ermitteln.
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Wird nun das Fluid nicht direkt angeregt, sondern wird zuerst eine Welle in das Messrohr eingekoppelt, die wiederum Kompressionsschwingungen im Fluid anregt, so ist es möglich, dass neben der über das Fluid geführten Welle auch die direkt entlang des Messrohrs geführte Welle durch den empfangenen Schwingungswandler erfasst wird, wodurch es zu der vorangehend erläuterten Überlagerung mit den damit verbundenen Problemen kommen kann. In vielen Messgeometrien wäre es somit vorteilhaft, eine direkte Führung der Welle entlang des Messrohrs von dem ersten zu dem zweiten Schwingungswandler oder umgekehrt zu vermeiden.
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Zur Bedämpfung von Wandschwingungen ist es aus der Druckschrift
US 9,448,092 B1 bekannt, eine periodische Wellung der Messrohrwand vorzusehen, die als Bandsperre für die Schwingungen wirken kann. Da eine derart aufwändige Gravur der Rohrwand nicht immer möglich oder zweckmäßig ist, schlägt diese Druckschrift als Alternative vor, eine zusätzliche Komponente mit einer entsprechenden periodischen Struktur an der Außenwand zu befestigen. Ein ähnliches Vorgehen, bei dem Schwingungen ebenfalls mit einer Vielzahl von störungsdämpfenden Elementen bedämpft werden, ist aus der Druckschrift
US 2014/0260668 A1 bekannt. Auch hierbei ist jedoch eine hochaufwändige Gestaltung der Rohraußenwand erforderlich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Messfehler aufgrund einer Führung einer angeregten Welle über die Rohrwand zu einem empfangenden Schwingungswandler mit möglichst geringem technischem Aufwand zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei wenigstens eine Seitenwand des Messrohrs in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler liegenden Messabschnitt des Messrohrs genau einen Streubereich oder genau zwei Streubereiche aufweist, der oder die von dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler in Rohrlängsrichtung beabstandet sind und in dem oder in denen eine Wandstärke der jeweiligen Seitenwand durch einen an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehenen Vorsprung vergrößert oder durch eine an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehene Ausnehmung verringert ist, wodurch die oder eine durch die jeweilige Seitenwand geführte Welle zumindest teilweise reflektierbar ist.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass bei einer indirekten Anregung eines Fluids über geführte Wellen typischerweise ohnehin nur einzelne Schwingungsmoden des Messrohrs bzw. einer Seitenwand des Messrohrs angeregt werden, die eine definierte Wellenlänge aufweisen. Bei Nutzung ausreichend niedriger Anregungsfrequenzen können beispielsweise nur zwei Schwingungsmoden einer Lamb-Welle in der jeweiligen Seitenwand anregbar sein, nämlich eine asymmetrische und eine symmetrische Lamb-Welle. Wird nun eine passende Anregungsgeometrie gewählt, kann erreicht werden, dass letztlich nur eine dieser Moden angeregt wird bzw. sich überhaupt in Richtung des jeweils anderen Schwingungswandlers ausbreitet. Somit kann es ausreichend sein, den Transport nur einer Schwingungsmode durch das Messrohr von dem ersten zum zweiten Schwingungswandler oder umgekehrt zu unterdrücken.
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Dies ermöglicht es, den Streubereich bzw. die Streubereiche gezielt darauf zu optimieren, diese Mode zu streuen bzw. zu reflektieren. Die Ausbreitung der geführten Welle entlang einer jeweiligen Seitenwand kann somit bereits durch Nutzung eines einzigen Streubereichs weitgehend unterdrückt werden, wobei in einigen Fällen diese Unterdrückung durch Nutzung von zwei Streubereichen noch weiter verbessert werden kann. Im einfachsten Fall kann es möglich sein, einen Streubereich ausschließlich an jener Seitenwand vorzusehen, an der beide Schwingungswandler angeordnet sind. Wird beispielsweise ein rechteckiges Messrohr genutzt, wird eine in einer Seitenwand angeregte Amplitude nur mit einer sehr kleinen Amplitude auf die angrenzenden Seitenwände übertragen, so dass in diesen nicht notwendigerweise ein Streubereich vorgesehen werden muss. Je nach Messgeometrie kann es vorteilhaft sein, auch an einer Seitenwand, die jener Seitenwand, an der beide Schwingungswandler angeordnet sind, gegenüberliegt, einen Streubereich vorzusehen. Insgesamt kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung somit mit einem relativ einfach aufgebauten Messrohr umgesetzt werden, wobei zugleich eine gute Unterdrückung einer direkten Wellenführung vom ersten zu dem zweiten Schwingungswandler und umgekehrt durch das Messrohr erreicht werden kann.
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Das Messrohr kann mehrere Seitenwände aufweisen, die gewinkelt zueinander stehen. Beispielsweise kann es einen rechteckigen Strömungsquerschnitt aufweisen. Es ist möglich, dass alle Seitenwände genau einen Streubereich oder genau zwei Streubereiche aufweisen. Ist dies nicht der Fall, weisen Seitenwände, die nicht genau einen Streubereich oder nicht genau zwei Streubereiche aufweisen, vorzugweise keinen Streubereich auf. Seitenwände, die keinen Streubereich aufweisen, weisen vorzugsweise zumindest im Messabschnitt eine konstante Wandstärke und/oder eine Außenfläche, die eben ist oder eine konstante Krümmung aufweist, auf. Jene Seitenwände, die einen oder zwei Streubereiche aufweisen, weisen vorzugsweise zumindest im Messbereich außerhalb des Streubereichs bzw. der Streubereiche eine konstante Wandstärke und/oder eine Außenfläche, die eben ist oder eine konstante Krümmung aufweist, auf.
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Die Ausnehmung kann leer bzw. durch Umgebungsluft gefüllt sein oder mit einem anderen Material gefüllt sein. Beispielsweise ist es möglich, dass durch das Messrohr gemeinsam mit dem anderen Material scheinbar ein Messrohr gebildet wird, das auch in dem Streubereich oder in den Streubereichen eine glatte Außenfläche aufweist, da eine entsprechende Ausnehmung durch das andere Material gefüllt ist. Das Messrohr kann aus Metall, beispielsweise aus Messing, Aluminium oder Stahl, gebildet sein. Das andere Material kann ein anderes Metall, ein Kunststoff oder ein Elastomer sein. Durch einen Materialwechsel erfolgt ähnlich wie bei einer leeren Ausnehmung ein Impedanzsprung für die geführte Welle, was zu einer Reflexion der geführten Welle führen kann. Ebenso ist es möglich, dass ein Vorsprung nicht in die Umgebungsluft hineinragt, sondern in einem Mantel aus einem anderen Material aufgenommen ist.
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Der Streubereich kann beispielsweise rautenförmig, linienförmig, wobei die Linie quer zur Rohrlängsrichtung verläuft, rechteckig, rund, elliptisch oder dreieckig sein. Der Streubereich bzw. die Streubereiche sind von dem ersten und dem zweiten Schwingelement in Rohrlängsrichtung beabstandet. Die Beabstandung kann insbesondere asymmetrisch erfolgen, so dass ein Streubereich beispielsweise um ein Drittel des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler vom zweiten Schwingungswandler beabstandet sein kann. Im Rahmen des Designs bzw. der Herstellung der Messeinrichtung können Parameter des Streubereichs bzw. der Streubereiche optimiert werden, um eine möglichst gute Reflexion der geführten Welle an dem jeweiligen Streubereich zu erreichen. Beispielsweise können Parameter des Streubereichs variiert werden und eine Ausbreitung der geführten Welle entlang einer Seitenwand bzw. des Messrohrs kann mit den jeweiligen Parametern simuliert werden, um eine maximale Reflexion der geführten Welle an dem Streubereich oder den Streubereichen bzw. eine minimale Transmission durch den Streubereich oder die Streubereiche zu erreichen. Beispielsweise kann eine Finite-Elemente-Methode für die Simulation genutzt werden. Als Parameter können beispielsweise eine Höhe des Streubereichs, eine Form des Streubereichs, eine Ausdehnung des Streubereichs in Rohrlängsrichtung und/oder ein Abstand des Streubereichs vom ersten und/oder vom zweiten Schwingungswandler bzw. ein Abstand zwischen den verschiedenen Streubereichen variiert werden.
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Der Streubereich kann randseitig umlaufend eine Stufe aufweisen, an der sich die Wandstärke vergrößert oder verringert. Plötzliche Sprünge in der Wandstärke sind besonders gut geeignet, um in der Wand geführte Wellen zu reflektieren. Die Stufenkante kann im Wesentlichen senkrecht zu der Außenfläche der jeweiligen Seitenwand außerhalb des Streubereichs und/oder zu einem Plateaubereich des Streubereichs stehen. Die Stufenkante kann weniger als 5° oder weniger als 10° gegenüber der Senkrechten geneigt sein.
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Der Streubereich kann sich über wenigstens 50% der Seitenwand erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich der Streubereich über die gesamte Breite der Seitenwand bzw. über die gesamte Breite der dem Fluid zugewandten Innenfläche der Seitenwand. Durch eine derartige Ausdehnung senkrecht zur Rohrlängsrichtung kann die Wellenausbreitung über die gesamte Seitenwand weitgehend blockiert werden.
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Der Streubereich kann sich über weniger als 20%, vorzugsweise über weniger als 10% oder 5%, der Länge des Messabschnitts zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler erstrecken. Die Ausdehnung des Streubereichs kann weniger als 1 cm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 3 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, sein. Derart kleine Streubereiche können mit geringem technischem Aufwand am Messrohr angeordnet werden und dennoch effizient einen Wellentransport zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler über die Rohrwand verhindern.
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Der erste und der zweite Schwingungswandler können beide an der gleichen schwingungswandlertragenden Seitenwand angeordnet sein, wobei die schwingungswandlertragende Seitenwand genau einen oder genau zwei Streubereiche aufweist. Wie eingangs erläutert ist eine Verhinderung des Wellentransports für jene Seitenwand besonders relevant, die die Schwingungswandler trägt.
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Zusätzlich kann wenigstens eine weitere Seitenwand genau einen oder genau zwei Streubereiche aufweisen. Die weitere Seitenwand kann keinen Schwingungswandler aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die weitere Seitenwand einen zusätzlichen Schwingungswandler trägt, der beispielsweise dazu dient, die Ultraschallwellen bei einer Ausbreitung entlang eines anderen Ausbreitungspfades zu erfassen oder die Messdaten zu validieren.
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Die weitere Seitenwand kann insbesondere der schwingungswandlertragenden Seitenwand gegenüberliegen. Die Innenfläche der weiteren Seitenwand kann parallel zur Innenfläche der schwingungswandlertragenden Seitenwand sein. Ein Vorsehen von genau einem oder genau zwei Streubereichen an der der schwingungswandlertragenden Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand ist vorteilhaft, da diese Seitenwand zur Reflexion der Ultraschallwellen genutzt wird. Es ist hierbei möglich, dass zusätzlich zur Reflexion eine Einkupplung einer geführten Welle in die gegenüberliegende Seitenwand erfolgt und somit potentiell ein zusätzlicher Ausbreitungspfad resultieren kann. Dieser Ausbreitungspfad kann durch das vorgeschlagene Vorgehen blockiert bzw. eine Amplitude der über diesen Pfad geführten Welle deutlich reduziert werden.
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Die weitere Seitenwand und die schwingungswandlertragende Seitenwand können voneinander unterschiedlich ausgebildete Streubereiche aufweisen. Beispielsweise kann die schwingungswandlertragende Seitenwand einen Vorsprung und die weitere Seitenwand eine Ausnehmung als Streubereich aufweisen oder umgekehrt. Es ist auch möglich, dass die Streubereiche voneinander unterschiedliche Formen aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, da an der schwingungswandlertragenden Seitenwand und der weiteren Seitenwand typischerweise geführte Wellen mit deutlich unterschiedlichen Amplituden gedämpft werden sollen.
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Der Streubereich oder wenigstens einer der Streubereiche kann rautenförmig oder kreisförmig oder elliptisch sein und/oder der Streubereich oder wenigstens einer der Streubereiche kann linienförmig sein. Durch eine Rautenform, Kreisform oder Ellipsenform des Streubereichs kann eine Reflexion der geführten Welle gewinkelt zur Einstrahlrichtung erfolgen. Hierdurch kann insbesondere eine Ausbildung von stehenden Wellen vermieden werden. Die Nutzung eines linienförmigen Streubereichs ermöglicht einen Streubereich, der sich über die gesamte Breite einer Seitenwand erstreckt, wobei dennoch ein geringer zusätzlicher Materialaufwand bzw. ein geringer Materialabtrag erforderlich ist. Zudem sind linienförmige Streubereiche besonders einfach am Messrohr anbringbar, beispielsweise indem eine Rinne in das Messrohr gefräst wird. Der Streubereich kann die Form einer geraden Linie aufweisen. Diese Linie kann in Querrichtung des Messrohres bzw. senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids und/oder einer Ausbreitungsrichtung der geführten Welle stehen. Alternativ kann diese Linie schräg bzw. gewinkelt zu den genannten Richtungen verlaufen. Hierdurch kann insbesondere eine Ausbildung von stehenden Wellen vermieden werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Streubereich die Form einer gekrümmten Linie aufweist. Beispielsweise kann der Streubereich die Form eines Kreisbogensegments, eines Segments einer Ellipse oder Ähnliches aufweisen. Auch ein Streubereich, der aus mehreren linearen, gewinkelt zueinander stehenden Linienabschnitten gebildet ist, kann genutzt werden.
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In wenigstens einem der Streubereiche kann die Wandstärke der jeweiligen Seitenwand durch einen an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehenen Vorsprung vergrößert und in wenigstens einem der Streubereiche die Wandstärke der jeweiligen Seitenwand durch eine an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehene Ausnehmung verringert sein. Beispielsweise kann an einer Seitenwand eine vorspringende Raute und an einer anderen Seitenwand eine eingefräste Linie als Streubereich vorgesehen sein.
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Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler und die Steuereinrichtung können dazu eingerichtet sein, die durch das Messrohr geführte Welle derart anzuregen, dass sie eine vorgegebene Schwingungsmode einer Lamb-Welle umfasst, wobei der Reflexionskoeffizient des Streubereichs oder wenigstens eines der Streubereiche für die Wellenlänge der vorgegebenen Schwingungsmode größer ist als für die Wellenlänge wenigstens einer weiteren Schwingungsmode der Seitenwand, an der der jeweilige Streubereich angeordnet ist. Die vorgegebene Schwingungsmode wird in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung vorzugsweise mit einer festen oder einer im Wesentlichen festen Frequenz angeregt. Somit resultiert auch eine definierte Wellenlänge dieser vorgegebenen Schwingungsmode. Die vorgegebene Schwingungsmode ist insbesondere jene Schwingungsmode, deren Laufzeit bzw. andere Eigenschaften als Messdaten erfasst werden. Es wird somit insbesondere der Ausbreitungsweg von einer oder mehreren messrelevanten Schwingungsmoden blockiert. Die weitere Schwingungsmode ist insbesondere eine weitere Schwingungsmode einer Lamb-Welle des Messrohrs bzw. der Seitenwand.
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Der erste und/oder der zweite Schwingungswandler und die Steuereinrichtung können dazu eingerichtet sein, die durch das Messrohr geführte Welle derart anzuregen, dass sie eine vorgegebene Schwingungsmode einer Lamb-Welle umfasst, wobei die Wandstärke in dem Streubereich oder in zumindest einem Abschnitt des Streubereichs gleich der Wellenlänge der vorgegebenen Schwingungsmode ist. Der Streubereich kann insbesondere als Vorsprung ausgebildet sein. Die Wellenlänge kann insbesondere der Wellenlänge der asymmetrischen Grundschwingung der Lamb-Welle entsprechen.
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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. Die Schwingungswandler können an der gleichen Seitenwand oder an verschiedenen, insbesondere gegenüberliegenden, Seitenwänden angeordnet sein. Wenigstens ein weiterer Schwingungswandler kann beispielsweise dazu genutzt werden, durch den ersten und/oder den zweiten Schwingungswandler ausgesandte Schwingungen zusätzlich durch den weiteren Schwingungswandler zu erfassen, um z. B. unterschiedliche Ausbreitungspfade zu berücksichtigen oder Messdaten zu validieren.
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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 gewonnen 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 das Dispersionsverhalten der Messstrecke, insbesondere das Dispersionsverhalten im Fluid und/oder im Messrohr, zu gewinnen. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung bzw. der Amplitude über die Zeit, beispielsweise innerhalb eines Messpulses, ausgewertet werden.
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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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Eine Anregung der geführten Wellen, insbesondere eine weitgehend modenreine Anregung von Lamb-Wellen, ist auf vielfältige Weise möglich. Beispielsweise können der erste und/oder der zweite Schwingungswandler ebene, insbesondere piezoelektrische, Schwingungswandler sein, die parallel zu der Seitenwand angeordnet sind. Um hierbei eine Modenselektivität der Anregung zu erreichen, kann eine Anregung in beabstandeten Anregungsbereichen erfolgen. Durch eine Anpassung der Anregungsstruktur an eine gewünschte Wellenlänge wird eine Modenselektivität erreicht. Alternativ ist es beispielsweise möglich, dass der Schwingungswandler ein Interdigital-Transducer ist, der eine Elektrodenstruktur aufweist, bei der entgegengesetzt gepolte Elektroden fingerartig ineinandergreifen. Durch eine Abstimmung der Abstände der ineinander eingreifenden Elektroden kann die Anregung von Schwingungen mit bestimmten Wellenlängen bevorzugt bzw. unterdrückt werden.
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Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Messeinrichtung, die eine Steuereinrichtung, ein das Fluid aufnehmendes und/oder vor dem Flud durchströmbares Messrohr und einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr angeordneten Schwingungswandler umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Schwingungswandler angesteuert werden, um eine durch das Messrohr 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 ermittelt wird, wobei wenigstens eine Seitenwand des Messrohrs in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler liegenden Messabschnitt des Messrohrs genau einen Streubereich oder genau zwei Streubereiche aufweist, der oder die von dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler in Rohrlängsrichtung beabstandet sind und in dem oder in denen eine Wandstärke der jeweiligen Seitenwand durch einen an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehenen Vorsprung vergrößert oder durch eine an der Außenfläche der Seitenwand vorgesehene Ausnehmung verringert ist, wodurch die oder eine durch die jeweilige Seitenwand geführte Welle zumindest teilweise reflektiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den zur erfindungsgemäßen Messeinrichtung erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 und 2 unterschiedliche Ansichten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, mit der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist, und
- 3 bis 7 Detailansichten weiterer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
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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 Laufzeitdifferenz 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 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 Schwingungswandler 5 eine geführte Welle, nämlich eine Lamb-Welle, in der Seitenwand 9 angeregt. Solche Wellen können angeregt werden, wenn die Dicke der Seitenwand vergleichbar mit der Wellenlänge der Transversalwelle im Festkörper ist, welche sich aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle im Festkörper 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 Wellen 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 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. Ergänzend oder alternativ könnte eine Erfassung der Schwingungen über einem nicht gezeigten Schwingungswandler erfolgen, der an der Seitenwand 12 angeordnet ist.
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Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallstrahlen 8 auf ihrem Weg zu dem Schwingungswandler 6 nicht bzw. nur einmal 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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Um eine Auswertung der Messdaten zu vereinfachen, sollen die Ultraschallstrahlen 8 vorzugsweise in einem einzigen Rayleigh-Winkel 14 in das Fluid abgestrahlt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine möglichst modenreine Anregung der Seitenwand 9 erfolgt, so dass eine Lamb-Welle angeregt wird, die im Wesentlichen nur eine einzige Mode aufweist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Eigenmoden der Schwingungswandler 5, 6 auf die anzuregende Mode abgestimmt sind, indem durch die Schwingungswandler 5, 6 eine Anregung in mehreren Anregungsbereichen erfolgt, wobei die Abstände und/oder Phasen der Anregung auf die anzuregende Mode abgestimmt sind, indem ein Interdigital-Transducer mit einer Elektrodenstruktur genutzt wird, die auf die anzuregende Mode abgestimmt ist, oder Ähnliches.
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Wird ein Messrohr 3 aus einem Material genutzt, das wenig schwingungsdämpfend ist, beispielsweise aus Messing, und würden im Wesentlichen glatte Seitenwände am Messrohr 3 vorgesehen, so könnte die durch den Pfeil 11 angedeutete geführte Welle neben dem Ausbreitungspfad über das Fluid, der durch die Ultraschallstrahlen 8 dargestellt ist, auch direkt über die Seitenwand 9 von dem Schwingungswandler 5 zu dem Schwingungswandler 6 geführt werden. Bei einer solchen Wellenausbreitung über mehrere Ausbreitungspfade werden die am Schwingungswandler 6 einlaufenden Wellen überlagert und es wird ein Überlagerungssignal empfangen. Je nach Phasenlage der Überlagerung und je nachdem, wie lang die einzelnen Pulse sind, kann es hierbei möglich sein, die Messsignale für die einzelnen Ausbreitungssignale zu separieren oder nicht. Ist keine Separierung der Messsignale der verschiedenen Ausbreitungspfade möglich, so kann die Überlagerung zu Messfehlern führen. Je nach Überlagerungssituation können beispielsweise zu kurze oder zu lange Laufzeiten festgestellt werden.
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Um dies zu vermeiden, ist an jeder der Seitenwände 9, 12 jeweils genau ein Streubereich vorgesehen, um die durch die jeweilige Seitenwand geführte Welle zumindest teilweise zu reflektieren. Um dies zu verdeutlichen, ist in 2 eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Messrohr 3 gezeigt.
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Die Streubereiche 15, 16 sind sowohl vom ersten als auch vom zweiten Schwingungswandler 5, 6 beabstandet, wobei die Lage bezüglich der Schwingungswandler 5, 6 vorzugsweise symmetrisch ist. Beispielsweise kann der Abstand 17 der Streubereiche 15, 16 von dem Schwingungswandler 6 ca. die Hälfte der Länge des Messabschnitts 18 zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungswandler 5, 6 sein.
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Bei der gezeigten Messeinrichtung sind beide Schwingungswandler 5, 6 an der gleichen Seitenwand angeordnet. Es ist daher besonders relevant, eine direkte Führung der geführten Welle entlang dieser Seitenwand 9 von dem Schwingungswandler 5 zu dem Schwingungswandler 6 zu unterbinden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Streubereich 16 als rautenförmiger Vorsprung ausgebildet ist, der die Wandstärke 19 im Streubereich 16 gegenüber der üblichen Wandstärke 10 erhöht. Die Höhe 20 des Vorsprungs kann so gewählt werden, dass die Wandstärke 19 dort der Wellenlänge der angeregten Lamb-Welle entspricht, insbesondere zum Beispiel der asymmetrischen Grundschwingung. Hierdurch kann ein besonders hoher Reflexionskoeffizient erreicht werden. Um eine Ausbildung von stehenden Wellen zu vermeiden, ist die Rautenform des Streubereichs 16 vorteilhaft, da hierdurch im Wesentlichen in Rohrlängsrichtung einlaufende geführte Welle gewinkelt zur Einfallsrichtung reflektiert werden.
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Auch eine Führung von Wellen in der Seitenwand 12, die der Seitenwand 9, an der die Schwingungswandler 5, 6 angeordnet sind, gegenüberliegt, kann mehrere Ausbreitungspfade ermöglichen. So ist es beispielsweise möglich, dass bei einer Reflexion der Ultraschallstrahlen 8 ein Teil der Energie der Ultraschallstrahlen 8 nicht reflektiert wird, sondern eine geführte Welle in der Seitenwand 12 anregt. Es ist daher vorteilhaft, auch an dieser Seitenwand einen Streubereich 15 vorzusehen. Da jedoch voraussichtlich an der gegenüberliegenden Seitenwand 12 nur geführte Wellen mit kleineren Amplituden auftreten und auch geringere Reflexionskoeffizienten ausreichend sind, kann ein einfacher zu implementierender Streubereich 15 genutzt werden, der beispielsweise als quer zur Rohrlängsrichtung verlaufende Rille ausgebildet ist.
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Da auch bei gewinkelt zueinander stehenden Seitenwänden nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, dass eine auf einer der Seitenwände geführte Welle auch eine geführte Welle in den benachbarten Seitenwänden anregt, kann die Rille 15 derart ausgebildet sein, dass sie abgesehen von der Seitenwand 9 um das Messrohr 3 umläuft.
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Um eine Ausbreitung der geführten Welle über den jeweiligen Streubereich 15, 16 hinaus effizient zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn sich der Streubereich über die gesamte Breite der Seitenwand, zumindest jedoch über wenigstens 50% der Breite der Seitenwand, erstreckt. Eine Reflexion der geführten Welle ist zudem dann mit einem besonders hohen Reflexionskoeffizienten möglich, wenn sich die Wandstärke 10, 19 stufenartig erhöht, wie dies für den Streubereich 16 der Fall ist, bzw. verringert.
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Um eine besonders effiziente Unterdrückung eines Wellentransports zu erreichen, können Parameter der Streubereiche 15, 16 im Rahmen einer Simulation optimiert werden. Hierbei kann eine Optimierung für eine bestimmte vorgegebene Schwingungsmode einer Lamb-Welle mit einer bestimmten Wellenlänge erfolgen, so dass typischerweise der Reflexionskoeffizient der Streubereiche 15, 16 für diese Wellenlänge größer ist als für wenigstens eine andere Wellenlänge bzw. Schwingungsmode. Die Simulation kann beispielsweise durch die Finite-Elemente-Methode erfolgen.
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Während es in der Regel ausreichend ist, einen jeweiligen Streubereich für die einzelnen Seitenwände vorzusehen, wobei einzelne Seitenwände auch keine Streubereiche aufweisen können, ist es auch möglich, genau zwei Streubereiche an wenigstens einer der Seitenwände vorzusehen. Beispiele hierfür sind in den 3 und 4 dargestellt. Hierbei kann, wie in 3 dargestellt ist, einer der Streubereiche 21 als Ausnehmung und einer der Streubereiche 22 als Vorsprung ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, beide Streubereiche 23, 24 als Ausnehmung auszubilden, wie es in 4 dargestellt ist. Alternativ könnten auch beide Streubereiche als Vorsprung ausgebildet sein.
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Im gezeigten Beispiel sind die zwei Streubereiche 21, 22 bzw. 23, 24 an der Seitenwand 9 vorgesehen. Sie könnten alternativ oder ergänzend auch an der weiteren Seitenwand 12 vorgesehen sein.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform wäre es beispielsweise bei der in 1 und 2 gezeigten Messeinrichtung 1 möglich, dass eine andere Form für den Streubereich 16 oder den Streubereich 15 gewählt wird. Die 5 bis 7 zeigen verschiedene Beispiele für mögliche Formen des Streubereichs 16. In 5 weist der Streubereich 16 eine Ellipsenform auf. Ähnlich wie zu der Rautenform in 2 diskutiert, werden auch bei einer Ellipsenform Wellen, die im Wesentlichen in Rohrlängsrichtung einlaufen, gewinkelt zur Einfallsrichtung reflektiert. Hierdurch kann die Ausbildung von stehenden Wellen unterdrückt werden.
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Wie bereits zum Streubereich 15 in 2 erläutert, kann es besonders einfach sein, einen linienförmigen Streubereich an der Seitenwand 9 herzustellen. Wird dieser Streubereich durch eine gerade Linie, die im Wesentlichen senkrecht zur Rohrlängsrichtung steht, gebildet, kann diese wiederum zur Ausbildung von stehenden Wellen führen. Dies kann dadurch vermieden werden, dass der Streubereich 16, wie in 6 dargestellt, durch eine gekrümmte Linie gebildet wird. Alternativ kann der Streubereich 16 auch durch eine gerade Linie gebildet werden, die gewinkelt zu einer Rohrlängsrichtung des Messrohrs steht. Dies ist in 7 dargestellt.
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Offensichtlich sind weitere alternative Formen ebenfalls möglich. Beispielsweise kann statt der in 5 gezeigten Ellipsenform eine Kreisform des Streubereichs 16 genutzt werden oder die in 6 und 7 gezeigten linienförmigen Streubereiche 16 können aus mehreren gewinkelt zueinander stehenden Linienabschnitten gebildet sein, wobei die einzelnen Linienabschnitte wiederum gerade oder gekrümmt sein können.
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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
- Wandstärke
- 11
- Pfeil
- 12
- Seitenwand
- 13
- Pfeil
- 14
- Rayleigh-Winkel
- 15
- Streubereich
- 16
- Streubereich
- 17
- Abstand
- 18
- Messabschnitt
- 19
- Wandstärke
- 20
- Höhe
- 21
- Streubereich
- 22
- Streubereich
- 23
- Streubereich
- 24
- Streubereich
