DE102018003803A1

DE102018003803A1 - Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße

Info

Publication number: DE102018003803A1
Application number: DE102018003803.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Benkert; Michael Mayle; Peter Ploss; Gerhard Lindner; Sabrina Tietze
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14
Also published as: WO2019214955A1

Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids bereffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem an dem Messrohr (3) angeordneten, ersten Schwingungswandler (5), wobei der erste Schwingungswandler (5) mehrere voneinander beabstandet an einer Tragstruktur (16) des ersten Schwingungswandlers (5) befestigte Schwingelemente (17, 18) umfasst, wobei die von der Tragstruktur (16) abgewandten Seitenflächen (19, 20) der Schwingelemente (17, 18) zur Schwingungseinkopplung in das Messrohr (3) direkt oder über ein Kopplungselement mit einem jeweiligen Anregungsbereich (21, 22) des Messrohrs (3) gekoppelt sind, wobei die Schwingelemente (17, 18) durch die Steuereinrichtung (2) ansteuerbar sind, um gemeinsam eine in einer Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle direkt in der Seitenwand (9) oder indirekt über das Fluid zu einem an dem Messrohr (3) angeordneten zweiten Schwingungswandler (6) oder zurück zu dem ersten Schwingungswandler (5) führbar und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfassbar ist, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung, einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr und einem an dem Messrohr angeordneten ersten Schwingungswandler. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Messeinrichtung.
Eine Möglichkeit einen Durchfluss oder andere ein Fluid betreffende Messgrößen zu erfassen, 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 Ultraschallwandlern beziehungsweise aus einem Laufzeitunterschied bei einer Vertauschung von Sender und Empfänger kann eine Durchflussgeschwindigkeit durch das Messrohr bestimmt werden.
Aus dem Artikel G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces", J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002, ist es bekannt, zur Anregung von geführten Wellen sogenannte Interdigitaltransducer zu nutzen, bei denen ein piezoelektrisches Element genutzt wird, das kammartig ineinandergreifende Steuerleitungen aufweist, um eine Anregung bestimmter Anregungsmoden geführter Wellen zu erreichen. Da notwendigerweise Scher-Moden des piezoelektrischen Elements angeregt werden, werden typischerweise keine hohen Wirkungsgrade der Anregung erreicht. Zudem ist eine relativ aufwändige, hochgenaue Lithographie erforderlich, um die erforderliche Elektrodenstruktur mit ausreichender Exaktheit aufzubringen, wobei häufig dennoch keine ausreichende Modenreinheit der Anregung erreicht wird.
Eine Anregung einer modenreinen geführten Welle ist jedoch für eine Nutzung in einem Ultraschallzähler hochrelevant, da der Winkel, in dem Kompressionsschwingungen in das Fluid abgestrahlt werden, von der Phasengeschwindigkeit der geführten Welle abhängt, die typischerweise in unterschiedlichen Anregungsmoden bei gleicher angeregter Frequenz unterschiedlich ist. Werden verschiedene Moden angeregt, so resultieren verschiedene Ausbreitungspfade für die Kompressionsschwingungen im Fluid, die allenfalls durch eine aufwändige Signalauswertung herausgerechnet werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die geführte Wellen zur Messung nutzt, wobei ein geringer Bauraumbedarf und ein einfacher Aufbau der genutzten Messeinrichtung realisiert werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der erste Schwingungswandler mehrere voneinander beabstandet an einer Tragstruktur des ersten Schwingungswandlers befestigte Schwingelemente umfasst, wobei die von der Tragstruktur abgewandten Seitenflächen der Schwingelemente zur Schwingungseinkopplung in das Messrohr direkt oder über ein Kopplungselement mit einem jeweiligen Anregungsbereich des Messrohrs gekoppelt sind, wobei die Schwingelemente durch die Steuereinrichtung ansteuerbar sind, um gemeinsam eine in einer Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle direkt in der Seitenwand oder indirekt über das Fluid zu einem an dem Messrohr angeordneten zweiten Schwingungswandler oder zurück zu dem ersten Schwingungswandler führbar und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfassbar ist, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist.
Es wird vorgeschlagen, eine Wand eines Messrohrs in mehreren voneinander beabstandeten Anregungsbereichen durch separate Schwingelemente anzuregen. Durch eine Überlagerung der erzeugten Teilwellen wird eine Gesamtwelle erzeugt, die anschließend zur Messung genutzt werden kann. Hierbei können die Anregungsbereiche und die Anregungsfrequenz derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine zu dämpfende Schwingungsmode durch eine destruktive Interferenz zumindest für eine Ausbreitungsrichtung bedämpft wird. Hierdurch kann eine hohe Modenreinheit der Anregung erreicht werden, indem gezielt eine nicht gewünschte Schwingungsmode bedämpft wird. Ergänzend oder alternativ kann, wie später noch detailliert erläutert werden wird, eine richtungsabhängige Bedämpfung der Schwingungsmode erfolgen.
Bei der Nutzung dieses Anregungsprinzips ist es hoch relevant, dass die Schwingelemente korrekt zueinander positioniert werden. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Tragstruktur genutzt, die die Schwingelemente des ersten Schwingungswandlers trägt. Hierdurch kann die Herstellung der Messeinrichtung deutlich vereinfacht und insbesondere ein Automatisierungsgrad bei der Herstellung erhöht werden. Statt die Schwingelemente separat an einem relativ großbauenden Messrohr anzuordnen, kann der erste Schwingungswandler, also insbesondere die Tragstruktur mit den daran angeordneten Schwingelementen und optional weiteren Bauteilen, separat hergestellt werden und anschließend in einem einfach umzusetzenden Herstellungsschritt, bei dem keine hochgenaue Positionierung von Bauelementen zueinander erforderlich ist, an dem Messrohr angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Nutzung einer Tragstruktur ermöglicht somit die Kombination einer relativ einfachen Herstellung mit einer hohen Genauigkeit der Positionierung der Schwingelemente zueinander.
Die Messdaten können auf verschiedene Weise erfasst werden, um unterschiedliche Fluidgrößen zu bestimmen. Um beispielsweise die eingangs erwähnte Durchflussmessung zu realisieren kann eine geführte Welle in der Seitenwand angeregt werden, die dazu geeignet ist, Kompressionsschwingungen im Fluid anzuregen, beispielsweise eine Lamb-Welle. Die Kompressionswelle wird durch das Fluid direkt oder nach wenigstens einer Reflexion wiederum in eine Seitenwand eingekoppelt und kann dort durch den zweiten Schwingungswandler erfasst werden. Andererseits kann eine Laufzeit der geführten Welle innerhalb der Seitenwand beispielsweise gemessen werden, indem eine Rayleigh-Welle, bei der im Wesentlichen ausschließlich die Außenseite der Seitenwand des Messrohrs schwingt, eine Lamb-Welle, die aufgrund der Schallgeschwindigkeit im Fluid nicht in dieses eingekoppelt werden kann, oder Ähnliches angeregt werden, womit die Welle im Wesentlichen ausschließlich durch die Seitenwand transportiert wird. Dies kann beispielsweise dazu dienen, einen Druck des Fluids zu messen, da ein solcher Druck die Seitenwand verformen beziehungsweise verspannen und somit die Schallgeschwindigkeiten in der Seitenwand beeinflussen kann. Hierbei kann eine Laufzeit der Welle zu dem zweiten Schwingungswandler oder entlang eines gewissen Ausbreitungspfades zurück zu dem ersten Schwingungswandler erfasst werden.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl weiterer Ansätze bekannt, um Fluidgrößen eines Fluids oder einer Fluidströmung mit Hilfe von durch das Fluid geführten Wellen, insbesondere Ultraschallwellen, zu ermitteln. Durch eine entsprechende Konfiguration beziehungsweise Programmierung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kann angepasst werden, welche Messdaten erfasst und welche Fluidgrößen bestimmt werden.
Die Nutzung mehrerer separater Schwingelemente im ersten beziehungsweise auch im zweiten Schwingungswandler ist nicht nur bei der Anregung von geführten Wellen zweckmäßig, sondern auch dann, wenn der Schwingungswandler genutzt wird, um Messdaten zu erfassen. Hierbei können durch die einzelnen Schwingelemente jeweils Messsignale bereitgestellt werden, die eine durch das jeweilige Schwingelement erfasste Teilwelle der empfangenen geführten Welle beschreiben. Durch Addition oder Subtraktion der Messsignale der einzelnen Schwingelemente, wobei unter Umständen die Messsignale einzelner Schwingelemente in ihrer Phase verschoben werden können, kann erreicht werden, dass sich Teilwellen für manche Wellenlängen destruktiv und für manche Wellenlängen konstruktiv überlagern. Somit kann auch im Rahmen des Empfangs eine Unterdrückung bestimmter Schwingungsmoden beziehungsweise eine Richtungsselektivität des Empfangs erreicht werden, das heißt die Empfangssignale können bereits durch die Art der Erfassung über die verschiedenen Schwingelemente gefiltert werden.
Die Schwingelemente können an der Tragstruktur derart befestigt werden, dass sie linear voneinander beabstandet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schwingelemente gekrümmt sind und/oder beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet werden. Eine linear beabstandete Anordnung von insbesondere rechteckigen Schwingelementen kann insbesondere dazu dienen, im Wesentlichen ebene Wellen auszusenden. Andererseits kann eine konzentrische Anordnung beispielsweise genutzt werden, um eine radialsymmetrische Abstrahlung zu erreichen oder Ähnliches.
Durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung können Messungen an einer durch das Messrohr strömenden Fluidströmung, jedoch auch an einem in dem Messrohr stehenden Fluid durchgeführt werden. Die Nutzung eines Schwingungstransports zur Erfassung von Fluideigenschaften ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. Neben der bereits erläuterten Laufzeitmessung kann beispielsweise eine Signalamplitude am empfangenen 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 zu gewinnen. Vorzugsweise können Informationen über das Dispersionsverhalten der Druckwelle im Fluid und/oder das Dispersionsverhalten der geführten Welle in der Wand ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung beziehungsweise der Amplitude über die Zeit, beispielsweise innerhalb eines Messpulses, ausgewertet werden.
Durch Auswertung der genannten 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 können beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit im Fluid und/oder eine Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise ein Mischungsverhältnis unterschiedlicher Komponenten, ermittelt werden. Verschiedene Ansätze zur Gewinnung dieser Fluidgrößen aus den vorangehend erläuterten Messgrößen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert dargestellt werden. Beispielsweise können Zusammenhänge zwischen einer oder mehreren Messgrößen und der Fluidgröße empirisch ermittelt werden und es kann beispielsweise eine Look-up-Tabelle oder eine entsprechende Formel genutzt werden, um die Fluidgröße zu ermitteln.
Die Tragstruktur ist oder umfasst vorzugsweise eine Leiterplatte, wobei wenigstens eine Elektrode, vorzugsweise alle Elektroden, jedes Schwingelements durch eine jeweilige Leiterbahn der Leiterplatte kontaktiert ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Messeinrichtung, da die Tragstruktur in diesem Fall nicht nur zur mechanischen Halterung der Schwingelemente dient, sondern diese auch kontaktiert, womit keine separate Kontaktierung erforderlich ist. Leiterplatten können zudem automatisch oder zumindest weitgehend automatisch bestückt werden, so dass die Herstellung des Schwingwandlers zumindest weitgehend automatisiert werden kann.
Der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode und der Leiterbahn kann durch ein Kontaktmittel hergestellt sein, das das Schwingelement mechanisch an der Tragstruktur haltert. Insbesondere ist das Schwingelement ausschließlich über die Verbindung des Kontaktelements mit der Elektrode oder den Elektroden des Schwingelements gehaltert. Die Elektroden können hierbei an der Leiterplatte verlötet, mit leitfähigem Kleber verklebt oder durch Bonden, beispielsweise durch Ultraschallbonden, verbunden sein.
Durch Leiterbahnen der Leiterplatte können elektrische Komponenten kontaktiert werden, die einen Teil der Steuereinrichtung bilden. Die Steuereinrichtung kann insbesondere durch eine Zentraleinrichtung und wenigstens eine Teilsteuereinrichtung gebildet werden, wobei die Teilsteuereinrichtungen den einzelnen Schwingungswandlern zugeordnet sind. Insbesondere können die Komponenten, die die Teilsteuereinrichtung bilden, durch die Leiterbahnen jeder Leiterplatte kontaktiert sein, die auch die Schwingelemente des jeweiligen Schwingungswandlers trägt. Durch die Anordnung der elektrischen Komponenten und der Schwingelemente an einer gemeinsamen Tragstruktur kann ein kompakter Aufbau des Schwingwandlers erreicht werden und die Herstellung des Schwingwandlers kann weitgehend automatisiert werden. Die elektrischen Komponenten bzw. Teile dieser Komponenten können insbesondere gemeinsam mit wenigstens einem der Schwingelemente einen Resonanzkreis bilden. Die Komponenten können also beispielsweise eine Induktivität bereitstellen. Sie können auch dazu dienen, Mess- oder Steuersignale zu puffern, eine Phasenverschiebung durchzuführen, Signale zu invertieren, zwischen verschiedenen Verschaltungen von Elektroden der einzelnen Schwingelemente umzuschalten, eine digital-analog-Wandlung oder eine analog-digitalWandlung durchzuführen oder Ähnliches.
Die Schwingelemente können an einer dem Messrohr zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sein und/oder die elektrischen Komponenten können zumindest teilweise auf der von dem Messrohr abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sein. Vorzugsweise wird eine durchkontaktierte Leiterplatte genutzt, so dass Signale zwischen den auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte angeordneten Komponenten beziehungsweise Schwingelementen durch Leiterbahnen der Leiterplatte geführt werden können.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den ersten Schwingungswandler zur Anregung einer durch die Seitenwand des Messrohrs geführten Gesamtwelle anzusteuern, indem die Schwingelemente angesteuert werden, um in den jeweiligen Anregungsbereichen jeweils in der Seitenwand geführte Teilwellen anzuregen, die sich zu der Gesamtwelle überlagern, wobei die durch die Tragstruktur vorgegebene Anordnung der Schwingelemente und die Anregungsfrequenz derart gewählt sind, dass eine zu dämpfende Schwingungsmode durch eine destruktive Interferenz der Teilwellen zumindest in einer Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird. Wie bereits eingangs erläutert kann hierdurch eine weitgehend modenreine beziehungsweise gerichtete Anregung und Abstrahlung der geführten Welle erreicht werden.
Die Schwingelemente können derart an der Tragstruktur befestigt sein, dass der Abstand zwischen den Mitten zweier Anregungsbereiche gleich der halben Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente dieser Anregungsbereiche mit gleicher Phasenlage durchzuführen. Insbesondere kann die Anregung mit gleichem Anregungsverlauf durchgeführt werden. Werden, insbesondere durch Nutzung von rechteckigen Anregungsbereichen, im Wesentlichen ebene Teilwellen angeregt, so kann für diese die zu bedämpfende Schwingungsmode im Wesentlichen vollständig ausgelöscht werden. Die Wellenlänge der angeregten Schwingungsmoden sind bei einer gegebenen Anregungsfrequenz durch die Dispersionsrelation der Wand des Messrohrs beziehungsweise jenes Wandabschnitts, der die Welle führt, vorgegeben. Das beschriebene Vorgehen kann auch bei einer Anregung in mehr als zwei Anregungsbereichen genutzt werden. Vorzugsweise gilt hierbei für mehrere Paare von Anregungsbereichen, dass der Abstand ihrer Mitten der halben Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der zu bedämpfenden Schwingungsmoden entspricht.
Der Anregungsverlauf kann den zeitlichen Verlauf der durch die Anregung verursachten Verformung der Wand beziehungsweise der ausgeübten Kräfte beschreiben. Bei einer Nutzung gleicher Schwingelemente zur Anregung in verschiedenen Anregungsbereichen kann insbesondere das gleiche Anregungssignal für mehrere Schwingelemente genutzt werden, um einen gleichen Anregungsverlauf zu realisieren.
Alternativ ist es möglich, dass die Schwingungselemente derart an der Tragstruktur befestigt sind, dass der Abstand zwischen den Mitten zweier Anregungsbereiche gleich der Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente dieser Anregungsbereiche mit einem Phasenversatz von 180° zwischen den Anregungsbereichen oder mit zueinander entgegengesetztem Anregungsverlauf durchzuführen. Auch hieraus resultiert eine destruktive Interferenz für die zu dämpfende Schwingungsmode.
Ein entgegengesetzter Anregungsverlauf kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass jedem der Anregungsbereiche ein jeweiliges Schwingelement zugeordnet ist, wobei einem der Schwingelemente ein Anregungssignal und dem weiteren Schwingelement das invertierte Anregungssignal zugeführt wird oder indem eine Anschlusspolarität der Schwingelemente oder eine Orientierung der Schwingelemente bezüglich der Seitenwand des Messrohrs für die verschiedenen Anregungsbereiche umgekehrt wird.
Auch diese Art der Anregungen kann bei einer Nutzung von mehreren Anregungsbereichen verwendet werden, wobei die Anregungsbereiche vorzugsweise linear hintereinander liegen und für aufeinanderfolgende Anregungsbereiche vorzugsweise jeweils ein entgegengesetzter Anregungsverlauf bzw. ein Phasenversatz von 180° genutzt wird. Alternativ kann auch eine Wahl eines anderen Phasenversatzes zweckmäßig sein. Beispielsweise kann der Abstand der Anregungsbereiche zunächst beliebig gewählt werden und der Phasenversatz kann anschließend so gewählt werden, dass bei diesem Abstand eine bestimmte Schwingungsmode bei der genutzten Anregungsfrequenz bedämpft beziehungsweise ausgelöscht wird.
Die Anregungsfrequenz kann derart gewählt werden, dass eine angeregte weitere Schwingungsmode der Gesamtwelle die doppelte oder halbe Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode aufweist. Die weitere Schwingungsmode kann durch die Überlagerung der Teilwellen verstärkt werden. Wird die halbe Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon als Abstand zwischen den Mitten der Anregungsbereiche gewählt und die Anregung erfolgt phasengleich bzw. mit gleichem Anregungsverlauf, so wird eine weitere Schwingungsmode mit der halben Wellenlänge verstärkt. Wird hingegen die Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon als Abstand zwischen den Mitten der Anregungsbereiche gewählt und die Anregung folgt mit einem Phasenversatz von 180° bzw. mit zueinander entgegengesetzten Anregungsverläufen, so wird eine weitere Schwingungsmode mit der doppelten Wellenlänge verstärkt. Eine Anregungsfrequenz, bei der eine zu dämpfende Schwingungsmode und eine Schwingungsmode mit der doppelten oder halben Wellenlänge bei der gleichen Anregungsfrequenz angeregt werden kann, kann aus der Dispersionsrelation der Seitenwand bzw. des Wandabschnitts des Messrohrs ermittelt werden, in der bzw. in dem die Teilwellen angeregt werden.
Die Anregungsfrequenz kann derart gewählt werden, dass ausschließlich die zu dämpfende und die weitere oder eine weitere Schwingungsmode angeregt werden. Eine entsprechende Frequenz kann mithilfe der Dispersionsrelation der Wand bzw. des Wandabschnitts ermittelt werden. Insbesondere bei relativ niedrigen Anregungsfrequenzen und/oder Wanddicken können beispielsweise für Lamb-Wellen nur zwei Zweige der Dispersionsrelation auftreten, insbesondere die sogenannten Ao- und So-Zweige, die den Grundmoden der asymmetrischen und symmetrischen Lamb-Wellen entsprechen.
Zur Ermittlung der Fluidgröße oder einer weiteren Fluidgröße können weitere Messdaten erfasst werden, wobei die Anregung in zwei der Anregungsbereichen zur Erfassung der Messdaten mit gleicher Phase und gleichem Anregungsverlauf und zur Erfassung der weiteren Messdaten mit einem Phasenversatz von 180° oder entgegengesetztem Anregungsverlauf erfolgt oder umgekehrt. Es ist auch möglich, dass bei der Nutzung von mehr als zwei Anregungsbereichen für Teile der Anregungsbereiche ein entsprechender Phasenversatz oder eine entsprechende Umkehrung des Anregungsverlaufs erfolgt. Ein entgegengesetzter Anregungsverlauf kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Beschaltung von Elektroden eines für einen Anregungsbereich genutzten Schwingelements umgekehrt wird oder ein Ansteuersignal invertiert wird.
Durch das beschriebene Vorgehen kann erreicht werden, dass zur Erfassung der Messdaten eine erste Schwingungsmode bedämpft und eine zweite Schwingungsmode verstärkt wird und zur Erfassung der weiteren Messdaten die erste Schwingungsmode verstärkt wird und die zweite Schwingungsmode bedämpft wird. Dies ermöglicht eine modenselektive Anregung für zwei verschiedene Schwingungsmoden. Da, wie eingangs erläutert, für verschiedene Schwingungsmoden von Lamb-Wellen unterschiedliche Ausbreitungspfade für die angeregten Kompressionsschwingungen im Fluid resultieren, kann somit eine Messung der Fluidgröße bezüglich unterschiedlicher Ausbreitungspfade mit geringem technischen Aufwand realisiert werden.
Die erläuterte Abstimmung des Abstands zwischen den Mitten der Anregungsbereiche und der Anregungsfrequenz kann ergänzend oder alternativ dazu genutzt werden, eine Ausbreitungsrichtung der Gesamtwelle zu beeinflussen bzw. die Ausbreitung der Gesamtwelle in eine Richtung zu bedämpfen. Hierzu können, insbesondere bei einer Anregung von im Wesentlichen ebenen Wellen, der Abstand der Mitten und die Phasenlage der Anregungen so gewählt werden, dass eine Schwingungsmode der Teilwellen in einer Richtung im Wesentlichen ausgelöscht und in die andere Richtung verstärkt wird.
Die Schwingelemente können alternativ derart durch die Tragstruktur befestigt sein, dass der Abstand zwischen den Mitten zweier Anregungsbereiche gleich einem Viertel der Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente dieser Anregungsbereiche mit einem Phasenversatz von 90° zwischen den Anregungsbereichen durchzuführen. Bei der Anregung einer ebenen Welle werden üblicherweise zwei ebene Wellen angeregt, die in entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen laufen. Durch die vorangehend beschriebene Überlagerung resultiert eine konstruktive Interferenz für eine dieser Ausbreitungsrichtungen und eine destruktive Interferenz für die andere.
Dies wird im Folgenden an einem Beispiel gezeigt, bei dem der Abstand ein Viertel der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode ist und ein Phasenversatz von +90° verwendet wird. In einem ersten Anregungsbereich wird folgende geführte Welle angeregt: $y_{t} = sin (\frac{2 π}{λ} x - ω t) + sin (- \frac{2 π}{λ} x - ω t)$
Hierbei ist λ die Wellenlänge, x der Abstand vom Anregungsort, t die Zeit und ω das Produkt aus 2π und der Frequenz der geführten Welle. Aufgrund des Phasenversatzes und dem Abstand zwischen den Bereichen wird im zweiten Bereich die folgende in beide Richtungen laufende geführte Welle angeregt: $y_{2} = sin (\frac{2 π}{λ} (x + \frac{λ}{4}) - ω t - \frac{π}{2}) + sin (- \frac{2 π}{λ} (x + \frac{λ}{4}) - ω t - \frac{π}{2})$
Die Überlagerung, also die Summe der beiden Wellen, kann durch trigonometrisches Umformen berechnet werden, wobei sich das folgende Ergebnis ergibt: $y_{1} + y_{2} = 2 \cdot sin (\frac{2 π}{λ} x - ω t)$
Aus einer Überlagerung der beiden geführten Wellen resultiert somit eine geführte Welle, die sich ausschließlich in eine Ausbreitungsrichtung ausbreitet, da für diese Ausbreitungsrichtung eine konstruktive Interferenz resultiert und für die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung eine destruktive Interferenz.
Wie leicht an der obigen Rechnung zu erkennen ist, ändert die Addition einer kompletten Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode zum Abstand zwischen den Bereichen der Anregung nichts an dem Ergebnis. Eine Addition einer halben Wellenlänge, also Abstände von beispielsweise dem 0,75-fachen, 1,75-fachen oder 2,75-fachen des Abstandes oder eine Phasenverschiebung von -90° würden zu einer Umkehrung der verbleibenden Ausbreitungsrichtung führen. Das beschriebene Vorgehen ermöglicht es somit auch durch eine Wahl eines Phasenversatzes zwischen den Anregungsbereichen, beispielsweise durch ein separates Bereitstellen von Anregungssignalen für die Schwingelemente, die den einzelnen Anbringungsbereichen zugeordnet sind, wahlfrei eine von zwei möglichen Ausbreitungsrichtungen für die Gesamtwelle vorzugeben.
Die vorangehend diskutierten Ansätze zur Unterdrückung einer Schwingungsmode und zur Unterdrückung einer Ausbreitungsrichtung können kombiniert werden. Hierzu kann die Anregungsfrequenz derart gewählt sein, dass eine erste Schwingungsmode durch eine destruktive Interferenz der Teilwellen in der Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird und eine weitere Schwingungsmode in einer zur Ausbreitungsrichtung entgegengesetzten weiteren Ausbreitungsrichtung durch eine destruktive Interferenz der Teilwellen in der weiteren Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird. Insbesondere können sich die Teilwellen derart überlagern, dass die erste Schwingungsmode in der weiteren Ausbreitungsrichtung durch eine konstruktive Interferenz verstärkt wird und die weitere Schwingungsmode in der Ausbreitungsrichtung verstärkt wird. Insbesondere kann die erste Schwingungsmode im Wesentlichen ausschließlich in die weitere Ausbreitungsrichtung und die weitere Schwingungsmode im Wesentlichen ausschließlich in die Ausbreitungsrichtung abgestrahlt werden. Es werden somit unterschiedliche Schwingungsmoden in unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen abgestrahlt.
Dies kann erreicht werden, indem die Anregungsfrequenz derart gewählt wird, dass das Verhältnis der Wellenlänge λ₀ der ersten Schwingungsmode zu der Wellenlänge λ₁ der weiteren Schwingungsmode $\frac{λ_{0}}{λ_{1}} = \frac{2 (2 p + 1) + {(- 1)}^{m}}{2 m + 1}$
ist, wobei m und p jeweils Null oder eine positive ganze Zahl sind. m gibt, wie im Folgenden erläutert, den Abstand zwischen den Mitten der Anregungsbereiche und das Vorzeichen des Phasenunterschieds vor. Diese Beziehung kann wie folgt hergeleitet werden:
Soll eine Schwingungsmode mit der Wellenlänge λ₀ gerichtet abgestrahlt werden, so kann, wie obig erläutert, der Abstand Δx ein Viertel der Wellenlänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode sein: $Δ x = (2 m + 1) \cdot \frac{λ_{0}}{4},$
wobei m Null oder eine ganze Zahl ist. Der Phasenversatz Φ kann dann folgendermaßen gewählt werden: $ϕ = {(- 1)}^{m} \frac{π}{2} .$
Soll die weitere Schwingungsmode in jener Richtung, in der die erste Schwingungsmode verstärkt wird, ausgelöscht werden, so muss die weitere Schwingungsmode destruktiv interferieren, also einen Phasenversatz von 180° bzw. von π oder ein ganzzahliges ungerades Vielfaches hiervon aufweisen: $(2 p + 1) \cdot π = 2 π \frac{Δ x}{λ_{1}} - ϕ,$
wobei p gleich Null oder eine ganze Zahl ist. Durch Einsetzen von Δx und Φ und Umformen resultiert die obige Bedingung für das Verhältnis der Wellenlängen. Ist die Dispersionsrelation der Wand bekannt, so kann gezielt eine Anregungsfrequenz gewählt werden, für die diese Bedingung erfüllt ist. Vorzugsweise wird die Anregungsfrequenz hierbei so gewählt, dass genau zwei Schwingungsmoden von Lamb-Wellen anregbar sind, deren Wellenlängen das beschriebene Verhältnis aufweisen. Vorzugsweise sind p und/oder m jeweils kleiner oder gleich fünf oder kleiner oder gleich drei. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Amplitudenverhältnis der Teilwellen ungefähr eins ist, womit eine weitgehend vollständige Bedämpfung der jeweiligen nicht gewünschten Schwingungsmode erreicht werden kann.
Für die Schwingelemente kann durch die Steuereinrichtung ein gemeinsames Steuersignal bereitgestellt werden, soweit eine phasengleiche Anregung beziehungsweise ein gleichere Anregungsverlauf gewünscht ist. Eine Phasenverschiebung von 180° beziehungsweise eine Umkehrung des Anregungsverlaufs kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Ansteuersignal invertiert wird, ein entsprechendes Schwingelement umgekehrt an der Wand angeordnet wird oder eine Polarität der Verbindung des Schwingelements mit einer Steuereinrichtung vertauscht wird. Die Schwingelemente können piezoelektrische Schwingelemente sein. Vorzugsweise werden relativ einfache Elektrodenstrukturen genutzt. Beispielsweise können nur zwei gegenüberliegende Elektroden vorgesehen sein, wobei eine dieser Elektroden zur leichteren Kontaktierung auch abschnittsweise um das Schwingelement herumgeführt sein kann und/oder als Blechelektrode vom Schwingelement abstehen kann. Es ist auch möglich beide Elektroden teilweise um das jeweilige Schwingelement herumzuführen, um einen symmetrischen Aufbau zu erreichen. Vorzugsweise wird eine Dickenschwingung des Schwingelements senkrecht zur Wand des Messrohrs angeregt.
Die Abmessungen des jeweiligen Schwingelements können so gewählt werden, dass die gewählte Anregungsfrequenz eine Resonanzfrequenz des Schwingelements, insbesondere eine Resonanzfrequenz einer Dickenschwingung, ist. Die Schwingelemente können sich im Wesentlichen über die Breite des Messrohrs erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, in einem Anregungsbereich mehrere, insbesondere gemeinsam angesteuerte, Schwingelemente vorzusehen. Beispielsweise kann eine linienartige gerade oder gekrümmte Anordnung von beispielsweise kreisförmigen Schwingelementen genutzt werden, um in dem jeweiligen Anregungsbereich im Wesentlichen eine ebene Welle anzuregen. Es ist auch möglich, dass sowohl in einem empfangsseitigen als auch in einem sendeseitigen Schwingungswandler jeweils mehrere der Schwingelemente vorgesehen sind, die in eine Querrichtung des Messrohrs voneinander beabstandet angeordnet sind. Dies ermöglicht es beispielsweise eine Signallaufzeit und/oder andere Messdaten für mehrere in Querrichtung des Messrohrs zueinander versetzten Abschnitte des durchströmten Volumens zu erfassen und beispielsweise eine Mittelung über diese Signallaufzeiten beziehungsweise anderen Messdaten und/oder wenigstens eine aus diesen ermittelte Fluidgröße durchzuführen, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Die Ausdehnung der Schwingelemente in Längsrichtung des Rohres beziehungsweise in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den Mitten der Anregungsbereiche kann beispielsweise gleich oder kleiner als die halbe Wellenlänge der zu bedämpfenden Schwingungsmode sein.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Schwingelemente mit separaten Anregungssignalen anzusteuern, die einen vorgegebenen oder einstellbaren Phasenversatz zueinander aufweisen. Beispielsweise können die Anregungssignale durch seperate Digital-Analog-Wandler bereitgestellt werden oder es kann ein analoger Phasenschieber genutzt werden, um einen Phasenversatz vorzugeben. Der Phasenversatz kann insbesondere auf andere Werte als 0°, 90° und 180° einstellbar sein. Dies kann zweckmäßig sein, da in diesem Fall beispielsweise eine Auslöschung beziehungsweise Bedämpfung bestimmter Schwingungsmoden bei beliebigen Abständen zwischen den Schwingelementen durch Vorgabe eines entsprechend gewählten Phasenversatzes realisiert werden kann. Beispielsweise können Produktionstoleranzen, die zu einer Variation des Abstandes zwischen den Schwingelementen führen können, durch eine Wahl eines passenden Phasenversatzes, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung der Messeinrichtung, kompensiert werden.
Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, das die folgenden Schritte umfasst:

- Befestigen mehrerer Schwingelemente an der Tragstruktur zur Bereitstellung des ersten Schwingungswandlers,
- Anordnen des ersten Schwingungswandlers an dem Messrohr derart, dass die von der Tragstruktur abgewandte Seitenfläche des jeweiligen Schwingelements in dem jeweiligen Anregungsbereich des Messrohrs das Messrohr direkt oder über das Kopplungselement kontaktiert.

Die Befestigung der Schwingelemente an der Tragstruktur erfolgt vorzugsweise vor dem Anordnen des Schwingungswandlers an dem Messrohr. Vor dieser Anordnung können zudem weitere elektrische Komponenten an der insbesondere als Leiterplatte ausgebildeten Tragstruktur angeordnet werden, die einen Teil der Steuereinrichtung ausbilden können. Die Befestigung der Schwingelemente an der Tragstruktur kann insbesondere durch die elektrische Kontaktierung, beispielsweise durch Löten, Verkleben mit leitfähigem Kleber oder Bonden, erfolgen. Der Schwingungswandler kann beispielsweise an dem Messrohr angebracht werden, indem die Tragstruktur beziehungsweise die Leiterplatte unmittelbar oder mit Hilfe eines Gehäuses an dem Messrohr angeklammert, angeklebt, angeschraubt oder Ähnliches wird.
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, und
2 eine Detailansicht eines Schwingungswandlers der in 1 gezeigten Messeinrichtung.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung betreffenden Fluidgröße. Das Fluid wird hierbei in eine durch den Pfeil 7 gezeigte Richtung durch einen Innenraum 4 eines Messrohrs 3 geführt. Um die Fluidgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die Steuereinrichtung 2 eine Laufzeitdifferenz zwischen den Laufzeiten von einem ersten 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.
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 Schwingungswandler 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 im Festkörper ist, welche sich aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle im Festkörper und der angeregten Frequenz ergibt.
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.
Bei dem geschilderten Vorgehen kann es problematisch sein, dass die Dispersionsrelation für Lamb-Wellen in der Seitenwand 9 mehrere Zweige aufweist. Bei einer Anregung mit einer bestimmten durch die Steuereinrichtung 2 vorgegebenen Frequenz wäre es somit möglich, dass unterschiedliche Schwingungsmoden für die Lamb-Welle angeregt werden, die unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. Dies führt dazu, dass die Kompressionswellen in Abhängigkeit dieser Phasengeschwindigkeiten unter unterschiedlichen Rayleigh-Winkeln 14 abgestrahlt werden. Hieraus resultieren verschiedene Pfade für die Führung der Ultraschallwelle von dem Schwingungswandler 5 zu dem Schwingungswandler 6 und umgekehrt, die typischerweise unterschiedliche Laufzeiten aufweisen. Die empfangenen Signale für diese verschiedenen Ausbreitungspfade müssten somit durch eine aufwändige Signalverarbeitung durch die Steuereinrichtung 2 separiert werden, um die Fluidgröße bestimmen zu können. Dies erfordert einerseits eine aufwändige Steuereinrichtung und ist andererseits nicht in allen Anwendungsfällen robust möglich. Daher soll in dem Schwingungswandler 5 eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erfolgen.
Um eine weitgehend modenreine Anregung einer in der Seitenwand 9 geführten Gesamtwelle zu erreichen, wird ein Schwingungswandler 5 genutzt, der mehrere voneinander beabstandet an einer Tragstruktur 16 angeordnete Schwingelemente 17, 18 umfasst. Die von der Tragstruktur 16 abgewandten Seitenflächen 19, 20 der Schwingelemente 17, 18 sind zur Schwingungseinkopplung in das Messrohr 3 beziehungsweise in dessen Seitenwand 9 in jeweiligen Anregungsbereichen 21, 22 mit dem Messrohr 3 gekoppelt. Im gezeigten Beispiel erfolgt die Kopplung aus Übersichtlichkeitsgründen direkt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kopplung über ein zusätzliches Kopplungselement, beispielsweise eine viskose Kopplungsschicht, erfolgt.
Durch eine entsprechende Wahl der Anregungsfrequenz der Schwingelemente 17, 18 und des Abstands 23 zwischen den Mitten 24, 25 der Anregungsbereiche 21, 22 können in der Messeinrichtung 1 gezielt zu dämpfende Schwingungsmoden beziehungsweise die Ausbreitung dieser Schwingungsmoden in zumindest eine Ausbreitungsrichtung unterdrückt werden. Um zu einer möglichst modenreinen Anregung zu gelangen, kann hierbei eine Anregungsfrequenz genutzt werden, bei der die Dispersionsrelation der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 nur zwei verschiedene Moden mit verschiedenen Wellenlängen aufweist. Wird nun eine dieser Schwingungsmoden bedämpft, kann für die andere eine im Wesentlichen modenreine Anregung erzielt werden.
Die Bedämpfung einer Schwingungsmode ist beispielsweise möglich, wenn der Abstand 23 einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge dieser Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz entspricht und die Anregung in den Anregungsbereichen 21, 22 phasengleich und mit gleichem Anregungssignal erfolgt. In diesem Fall löschen sich die in den Anregungsbereichen 21, 22 erzeugten Teilwellen dieser Schwingungsmode gegenseitig aus. Dieses Ergebnis kann auch erreicht werden, wenn die Anregung in den Anregungsbereichen 21, 22 mit einem Phasenversatz von 180° oder einem umgekehrten Vorzeichen erfolgt, wobei der Abstand 23 derart gewählt wird, dass er bei der gewählten Anregungsfrequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode entspricht.
Eine Richtungsselektivität der Abstrahlung kann beispielsweise erreicht werden, indem ein Anregungssignal mit einem Phasenversatz von 90° für die Anregungsbereiche 21, 22 genutzt wird, wobei der Abstand 23 zwischen den Mitten 24, 25 der Anregungsbereiche 21, 22 einem Viertel der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz entspricht.
Soll ein Phasenversatz oder eine Invertierung des Anregungssignals für verschiedene Schwingelemente 17, 18 erreicht werden, ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 2 mehrere separate Anregungssignale bereitstellt. Besonders bevorzugt erfolgt jedoch eine Bereitstellung eines gemeinsamen Anregungssignals für alle Schwingelemente 17, 18 und die Signalkonditionierung zur Bereitstellung des Phasenversatzes beziehungsweise zur Invertierung erfolgt durch Bauteile 26 die Teil des Schwingungswandlers 5 sind und ebenfalls an der Tragstruktur 16 angeordnet sind. Hierbei ist es möglich, dass für die Schwingungswandler 17, 18 eine feste Polarität beziehungsweise ein fester Phasenversatz vorgegeben ist. Besonders bevorzugt ist jedoch für wenigstens einen der Schwingungswandler 17, 18 eine Polarität, mit der dieser betrieben wird, beziehungsweise ist ein Phasenversatz wählbar. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Schwingungswandler 17, 18 beispielsweise wahlweise in Phase beziehungsweise mit gleicher Polarität oder mit einem Phasenversatz von insbesondere 180° beziehungsweise mit umgekehrter Polarität betrieben werden können. Der Phasenversatz kann auch mehrstufig oder frei wählbar sein. Dies kann beispielsweise durch einen Umschalten der Elektrodenkontaktierung durch eines der Bauteile 26 oder eine schaltbare Signalinvertierung durch eines der Bauteile 26 erfolgen.
Eine Detailansicht des Schwingungswandlers 5 ist in 2 dargestellt. Der Schwingungswandler 5 wird durch die Tragstruktur 16, die Schwingelemente 17, 18 und die Bauteile 26 gebildet. Die Tragstruktur 16 dient zum einen zur mechanischen Halterung der Schwingungselemente 17, 18 und der Bauteile 26 und zum anderen zur elektrischen Kontaktierung dieser Elemente. Um dies besonders einfach zu realisieren, wird eine Leiterplatte als Tragstruktur 16 genutzt. Diese besteht aus einem Grundkörper 27, der beispielsweise aus Hartpapier gebildet ist, und durch diesen getragene Leiterbahnen 28, 29, die beispielsweise auf den Grundkörper 27 aufgedruckt oder durch einen Ätzprozess aus einer geschlossenen Metallschicht auf dem Grundkörper 27 herausgearbeitet wurden.
Der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden 30, 31, die gemeinsam mit einem piezoelektrischen Element 34 die Schwingelemente 17, 18 bilden, und der Leiterbahn 28 an der dem Messrohr zugewandten Seite der Leiterplatte wird durch Kontaktmittel 32, 33 hergestellt, beispielsweise durch Löten, durch Verkleben mit elektrisch leitfähigem Kleber oder durch Bonding. Die Kontaktmittel 32, 33 dienen hierbei nicht ausschließlich zur elektrischen Kontaktierung der Schwingelemente 17, 18, sondern sie haltern die Schwingelemente 17, 18 auch an der Tragstruktur 16, also an der Leiterplatte. Auf ähnliche Weise sind auch die Bauteile 26 auf der von dem Messrohr abgewandten Seite der Leiterplatte kontaktiert und befestigt, wobei dies in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht im Detail dargestellt ist. Um die Bauteile 26, die insbesondere einen Teil der Steuereinrichtung 2 bilden, unmittelbar zur Bestromung der Schwingelemente 17, 18 nutzen zu können, sind die Leiterbahnen 28 an der dem Messrohr 3 zugewandten Seite der Leiterplatte und die Leiterbahnen 29 an der von dem Messrohr 3 abgewandten Seite der Leiterplatte durch Durchkontaktierungen 35 der Leiterplatte verbunden.
Durch diesen Aufbau kann erreicht werden, dass übliche doppelseitige Platinen als Tragstruktur 16 genutzt werden können, wobei insbesondere eine beidseitige automatische Bestückung möglich ist, wie sie für solche Platinen in anderen Anwendungsbereichen bereits durchgeführt wird. Dies ermöglicht eine hochgenaue und kostengünstige Herstellung der Messeinrichtung. Hierzu kann zunächst die Leiterplatte, insbesondere automatisch bestückt werden, wobei hierbei insbesondere die Schwingungswandler an der Leiterplatte beziehungsweise der Trageinrichtung 16 angeordnet werden. Der auf diese Weise bereitgestellte Schwingungswandler 5 kann anschließend derart an dem Messrohr angeordnet werden, dass die von der Leiterplatte abgewandten Seitenflächen des Schwingungswandlers 17, 18 in dem jeweiligen Anregungsbereich 21, 22 des Messrohrs 3 das Messrohr direkt oder über ein nicht gezeigtes Kopplungselement kontaktieren. Der Abstand 23 zwischen den Mitten 24, 25 der Anregungsbereiche wird hierbei bereits bei der Befestigung der Schwingelemente 17, 18 an der Leiterplatte und somit im Rahmen der Bestückung der Leiterplatte vorgegeben. Dieser Abstand kann somit mit hoher Genauigkeit vorgegeben werden und aufgrund der vorzugsweise automatisierten Bestückung der Leiterplatte mit geringem technischen Einwand und hoher Genauigkeit eingehalten werden.
Bezugszeichenliste

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: Tragstruktur
17: Schwingelement
18: Schwingelement
19: Seitenfläche
20: Seitenfläche
21: Anregungsbereich
22: Anregungsbereich
23: Abstand
24: Mitte
25: Mitte
26: elektrische Komponente
27: Grundkörper
28: Leiterbahn
29: Leiterbahn
30: Elektrode
31: Elektrode
32: Kontaktmittel
33: Kontaktmittel
34: piezoelektrisches Element
35: Durchkontaktierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Lindner, „Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces“, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002 [0003]

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem an dem Messrohr (3) angeordneten, ersten Schwingungswandler (5), wobei der erste Schwingungswandler (5) mehrere voneinander beabstandet an einer Tragstruktur (16) des ersten Schwingungswandlers (5) befestigte Schwingelemente (17, 18) umfasst, wobei die von der Tragstruktur (16) abgewandten Seitenflächen (19, 20) der Schwingelemente (17, 18) zur Schwingungseinkopplung in das Messrohr (3) direkt oder über ein Kopplungselement mit einem jeweiligen Anregungsbereich (21, 22) des Messrohrs (3) gekoppelt sind, wobei die Schwingelemente (17, 18) durch die Steuereinrichtung (2) ansteuerbar sind, um gemeinsam eine in einer Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle direkt in der Seitenwand (9) oder indirekt über das Fluid zu einem an dem Messrohr (3) angeordneten zweiten Schwingungswandler (6) oder zurück zu dem ersten Schwingungswandler (5) führbar und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfassbar ist, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (16) eine Leiterplatte ist oder umfasst, wobei wenigstens eine Elektrode (30, 31), vorzugsweise alle Elektroden (30, 31), jedes Schwingelements (17, 18) durch eine jeweilige Leiterbahn (28) der Leiterplatte kontaktiert ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode (30, 31) und der Leiterbahn (28) durch ein Kontaktmittel (32, 33) hergestellt ist, das das Schwingelement (17, 18) mechanisch an der Tragstruktur (16) haltert.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Leiterbahnen (28, 29) der Leiterplatte elektrische Komponenten (26) kontaktiert werden, die einen Teil der Steuereinrichtung (2) bilden.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) an einer dem Messrohr (3) zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sind und/oder dass die elektrischen Komponenten (26) zumindest teilweise auf der von dem Messrohr (3) abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, den ersten Schwingungswandler (5) zur Anregung einer durch die Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführten Gesamtwelle anzusteuern, indem die Schwingelemente (17, 18) angesteuert werden, um in den jeweiligen Anregungsbereichen (21, 22) jeweils in der Seitenwand (9) geführte Teilwellen anzugregen, die sich zu der Gesamtwelle überlagern, wobei die durch die Tragstruktur (16) vorgegebene Anordnung der Schwingelemente (17, 18) und die Anregungsfrequenz derart gewählt sind, dass eine zu dämpfende Schwingungsmode durch eine destruktive Interferenz der Teilwellen zumindest in einer Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) derart an der Tragstruktur (16) befestigt sind, dass der Abstand (23) zwischen den Mitten (24, 25) zweier Anregungsbereiche (21, 22) gleich der halben Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente (17, 18) dieser Anregungsbereiche (21, 22) mit gleicher Phasenlage durchzuführen.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) derart an der Tragstruktur (16) befestigt sind, dass der Abstand (23) zwischen den Mitten (24, 25) zweier Anregungsbereiche (21, 22) gleich der Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente (17, 18) dieser Anregungsbereiche (21, 22) mit einem Phasenversatz von 180° zwischen den Anregungsbereichen (21, 22) oder mit zueinander entgegengesetztem Anregungsverlauf durchzuführen.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) derart an der Tragstruktur (16) befestigt sind, dass der Abstand (23) zwischen den Mitten (24, 25) zweier Anregungsbereiche (21, 22) gleich einem Viertel der Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungsmode bei der gewählten Anregungsfrequenz ist, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Anregung der Schwingelemente (17, 18) dieser Anregungsbereiche mit einem Phasenversatz von 90° zwischen den Anregungsbereichen (21, 22) durchzuführen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Schwingelemente (17, 18) mit separaten Anregungssignalen anzusteuern, die einen vorgegebenen oder einstellbaren Phasenversatz zueinander aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Messeinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Befestigen mehrerer Schwingelemente (17, 18) an der Tragstruktur (16) zur Bereitstellung des ersten Schwingungswandlers (5), - Anordnen des ersten Schwingungswandlers (5) an dem Messrohr (3) derart, dass die von der Tragstruktur (16) abgewandte Seitenfläche (19, 20) des jeweiligen Schwingelements (17, 18) in dem jeweiligen Anregungsbereich (21, 22) des Messrohrs (3) das Messrohr (3) direkt oder über das Kopplungselement kontaktiert.