DE102018006512A1 - Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße - Google Patents

Abstract

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) eine Schwingmembran (16) oder eine Schwingplatte (40) aufweist, die direkt oder über eine Kopplungsschicht mit dem Messrohr (3) gekoppelt ist, wobei an der von dem Messrohr (3) abgewandten Oberfläche der Schwingmembran (16) oder der Schwingplatte (40) in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen (21, 22) ein jeweiliges Schwingelement (17, 18) angeordnet ist, 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 aufwendige, 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 aufwendige 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 eine Schwingmembran oder eine Schwingplatte aufweist, die direkt oder über eine Kopplungsschicht mit dem Messrohr gekoppelt ist, wobei an der von dem Messrohr abgewandten Oberfläche der Schwingmembran oder der Schwingplatte in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen ein jeweiliges Schwingelement angeordnet ist, wobei die Schwingelemente durch die Steuereinrichtung ansteuerbar sind, um gemeinsam eine in der 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 Anregungsfrequenzen 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 einer Schwingungsmode erfolgen.
• Bei Nutzung dieses Anregungsprinzips ist es hochrelevant, dass die Schwingelemente korrekt zueinander positioniert werden. Die erfindungsgemäße Nutzung einer Schwingmembran bzw. Schwingplatte, auf der die Schwingelemente bereits in entsprechenden Anregungsbereichen angeordnet sind, ermöglicht es insbesondere die Schwingmembran bzw. Schwingplatte mit bereits daran angeordneten Schwingelementen separat von dem Messrohr bereitzustellen, wodurch die Herstellung der Messeinrichtung erheblich vereinfacht werden kann. Die Schwingmembran bzw. Schwingplatte kann hierbei insbesondere ein die Schwingelemente gemeinsam mit der Schwingmembran bzw. Schwingplatte halterndes Gehäuse zum Messrohr hin abschließen. Dies wird später noch im Detail erläutert werden. Die erfindungsgemäße Nutzung der Schwingmembran bzw. Schwingplatte ermöglicht somit die Kombination einer relativ einfachen Herstellung mit einer hohen Genauigkeit der Positionierung der Schwingelemente zueinander. Eine Schwingmembran bzw. Schwingplatte kann zudem dazu dienen, die Schwingelemente gemeinsam mit einem Gehäuse vor Umwelteinflüssen zu schützen, wobei über die Schwingmembran bzw. Schwingplatte dennoch eine Anregung der Seitenwand des Messrohres ermöglicht wird.
• Die Schwingelemente können derart an Oberfläche der Schwingmembran bzw. Schwingplatte angeordnet sein, dass sie in direktem mechanischen Kontakt mit der Schwingmembran bzw. Schwingplatte stehen. Beispielsweise können ein insbesondere piezoelektrischer Schwingkörper und/oder wenigstens eine Elektrode des Schwingelements unmittelbar auf der Oberfläche der Schwingmembran bzw. Schwingplatte aufliegen. Alternativ können die Schwingelemente jedoch auch derart an der Oberfläche angeordnet sein, dass sich eine gemeinsame Kopplungsschicht oder eine Kopplungsschicht für das jeweilige Schwingelement zwischen der Oberfläche und dem jeweiligen Schwingelement befindet. Beispielsweise kann eine Klebeschicht genutzt werden, um das jeweilige Schwingelement an der Oberfläche zu verkleben, oder es kann eine viskose Kopplungsschicht vorgesehen sein, um eine Verspannung von Schwingelement und Schwingmembran bzw. Schwingplatte gegeneinander aufgund einer unterschiedlichen Temperaturausdehnung zu vermeiden bzw. um eine Einkopplung von Schermoden in die Schwingmembran bzw. Schwingplatte zu vermeiden oder zu reduzieren.
• Die Schwingmembran bzw. Schwingplatte kann optional über eine, insbesondere viskose, Kopplungsschicht mit dem Messrohr gekoppelt sein. Dies kann dazu dienen, eine Verspannung der Komponenten aufgrund geringfügig unterschiedlicher Temperaturausdehnungen zu vermeiden und/oder dazu, eine Einkopplung von Schermoden in das Messrohr zu unterdrücken. Die genannten Vorteile können jedoch bei Nutzung einer Schwingmembran, also beispielsweise einer Folie, die die Schwingungswandler trägt, auch schon ohne eine zusätzliche Kopplungsschicht erreicht werden, da eine solche Schwingmembran relativ weich bzw. elastisch sein kann und somit bereits die Funktion einer Kopplungsschicht erfüllen kann, also insbesondere eine Verspannung der Schwingelemente und/oder eine Einkopplung von Schermoden vermeiden oder zumindest reduzieren kann.
• Die Schwingmembran bzw. Schwingplatte kann eine geschlossene Fläche bilden, die keine Löcher oder zumindest keine Löcher in den Anregungsbereichen bzw. in einem Zwischenbereich zwischen den Anregungsbereichen aufweist. Die gesamte Schwingmembran oder Schwingplatte oder zumindest ein Schwingbereich hiervon, der die Anregungsbereiche und den Zwischenbereich umfasst, kann eine konstante Dicke, also insbesondere eine konstante Ausdehnung senkrecht zum Messrohr, aufweisen. Die Dicke der Schwingmembran oder Schwingplatte ist vorzugsweise wesentlich, insbesondere um wenigstens einen Faktor 10, kleiner als die Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle im Festkörper. In diesem Fall ist die Schwingmembran bzw. die Schwingplatte akustisch für die angeregte Welle im Wesentlichen transparent. Alternativ kann eine Dicke gewählt werden, die ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge dieser Welle ist. Auch dies ermöglicht eine effiziente Schwingungseinkopplung durch die Schwingmembran bzw. Schwingplatte hindurch.
• Der erste Schwingungswandler kann insbesondere als separate Komponente hergestellt sein, die an einem Messrohr befestigt werden kann, beispielsweise indem die Schwingmembran oder Schwingplatte auf eine Seitenwand des Messrohrs aufgesetzt wird. Die Schwingelemente können oder ein die Schwingelemente halterndes Gehäuse kann dann an dem Messrohr befestigt werden, beispielsweise durch Verklemmen, Verkleben oder Verschweißen.
• 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 Anregungsbereiche können derart angeordnet sein, dass sie linear voneinander beabstandet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schwingelemente und somit die Anregungsbereiche gekrümmt sind und/oder beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet werden. Eine lineare Beabstandung ist insbesondere bei rechteckigen Schwingelementen vorteilhaft und 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 Schwingmembran kann durch eine Folie gebildet werden und/oder eine Dicke zwischen 3 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm, aufweisen. Eine Folie bzw. dünne Schwingmembran ist akustisch im Wesentlichen transparent und kann dennoch dazu dienen, die Schwingelemente robust zu haltern bzw. vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Verschmutzungen, zu schützen.
• Die Schwingmembran oder die Schwingplatte kann an einem Gehäuse befestigt sein, wobei die Schwingelemente durch das Gehäuse oder gemeinsam durch das Gehäuse und die Schwingmembran oder Schwingplatte gehaltert sind. Insbesondere können die Schwingelemente lose in einer jeweiligen Gehäuseaufnahme angeordnet sein und dort durch die Schwingmembran bzw. Schwingplatte gehaltert werden. Insbesondere können die Schwingelemente zwischen dem Gehäuse und der Schwingmembran bzw. der Schwingplatte eingeklemmt und hierdurch fixiert sein. Das Gehäuse umgreift vorzugsweise die von dem Messrohr abgewandte Seite des Schwingelements.
• Die Schwingelemente können oder jedes einzelne der Schwingelemente kann durch das Gehäuse und die Schwingmembran gemeinsam oder durch das Gehäuse und die Schwingplatte gemeinsam vollständig umschlossen werden. Insbesondere kann ein das einzelne Schwingelement oder die Schwingelemente aufnehmender Innenraum gegenüber der Umgebung dicht bezüglich Festkörpern bzw. Staub, Spritzwasser, Fluidspritzern und Ähnlichem abgedichtet sein. Diese Abdichtung kann insbesondere einen Schutz vor Fremdkörpern, die größer oder gleich einem Millimeter sind, bzw. vor Staub bzw. vor Staub in schädigenden Mengen bereitstellen. Die erste Kennziffer der Kennzahl gemäß DIN EN 60529 kann somit wenigstens vier, wenigstens fünf oder wenigstens sechs sein. Die Fluiddichte soll insbesondere auch verhindern, dass das Schwingelement durch Kondensat befeuchtet wird. Zudem soll vorzugsweise ein allseitiger Spritzwasserschutz erreicht werden. Die zweite Kennziffer gemäß der obigen Norm kann somit wenigstens vier sein.
• Ein einfaches und robustes Anbringen der Schwingmembran oder der Schwingplatte, wodurch insbesondere auch eine gute Dichtigkeit erreicht werden kann, kann durch Verkleben oder Verschweißen dieser Komponente oder durch Aufbringen durch Heißprägen erreicht werden. Alternativ kann der Schwingungswandler auch durch Spritzguss hergestellt werden. Insbesondere können die Schwingmembran, also insbesondere eine Folie, bzw. die Schwingplatte sowie die Schwingelemente, also insbesondere Piezowandler, und optional weitere Komponenten, z.B. leitfähige Kontaktelemente zur Kontaktierung der Schwingelemente, vor dem Spritzguss in eine Spritzgussform eingelegt werden. Das Gehäuse des Schwingungswandlers bzw. eine andere Komponente, die die Schwingmembran oder Schwingplatte haltert kann dann an diese angespritzt werden.
• Die Schwingplatte kann dadurch gebildet sein, dass eine Komponente des Gehäuses in einem Schwingbereich, der zumindest die Anregungsbereiche und einen zwischen den Anregungsbereichen liegenden Zwischenbereich umfasst, eine geringere Dicke aufweist als in einem wenigstens einseitig an den Schwingbereich angrenzenden Haltebereich. Eine solche Schwingplatte kann beispielsweise durch Fräsen einer Ausnehmung in die Komponente des Gehäuses bereitgestellt werden.
• Die Schwingelemente können jeweils dadurch mechanisch in dem Gehäuse fixiert und/oder elektrisch kontaktiert werden, dass durch die Schwingmembran oder die Schwingplatte eine Klemmkraft auf das jeweilige Schwingelement ausgeübt wird, durch die es zwischen die Schwingmembran oder die Schwingplatte und das Gehäuse geklemmt ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Messeinrichtung, da die Schwingelemente zunächst lose in das Gehäuse gelegt werden können und erst durch das Aufbringen der Schwingmembran bzw. Schwingplatte fixiert werden.
• Die Schwingmembran oder die Schwingplatte kann aus Kunststoff und/oder einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Dies ermöglicht eine einfache und günstige Herstellung der Messeinrichtung bzw. eine messrohrseitige elektrische Isolation der Schwingelemente.
• Die Schwingelemente können jeweils einen Schwingkörper und eine erste Elektrode, die an einer der Schwingmembran oder der Schwingplatte zugewandten Seitenfläche des jeweiligen Schwingkörpers angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die an der gegenüberliegenden Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet ist, umfassen, wobei sich die jeweilige erste Elektrode auf die gegenüberliegende und/oder wenigstens eine weitere Seitenfläche des jeweiligen Schwingkörpers erstreckt. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass keine Kontaktierung von der Seite der Schwingmembran bzw. Schwingplatte aus erforderlich ist, so dass die Schwingmembran bzw. Schwingplatte vorzugsweise isolierend sein kann, um das Schwingelement von der Umgebung elektrisch zu isolieren. Die erste Elektrode kann somit seitlich oder auf der von der Schwingmembran bzw. Schwingplatte abgewandten Seite des Schwingkörpers kontaktiert werden. Es wurde erkannt, dass eine symmetrische Gestaltung der Elektroden vorteilhaft sein kann, so dass es möglich ist, die zweite Elektrode auf die der Schwingmembran oder der Schwingplatte zugewandte Seitenfläche oder zumindest auf eine der weiteren Seitenflächen zu ziehen. Hierdurch kann unter Umständen eine bessere Modenreinheit einer Schwingung des Schwingelements erreicht werden, was insgesamt zu einer modenreineren Anregung bzw. zu einer starken Filterung bei einem Empfang von geführten Wellen durch den Schwingungswandler führen kann.
• 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. Die Anordnung der Anregungsbereiche zueinander kann derart gewählt sein, dass eine zu dämpfende Schwingungsmode durch eine destruktive Interferenz der Teilwellen zumindest in einer Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird. Hierdurch kann eine weitgehend modenreine bzw. gerichtete Anregung und Abstrahlung der geführten Welle erreicht werden.
• Die Schwingungswandler können derart an der Schwingmembran bzw. Schwingplatte angeordnet werden, 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 in diesen Anregungsbereichen mit gleicher Phasenlage durchzuführen. Insbesondere kann die Anregung mit gleichem Anregungsverlauf durchgeführt werden. Werden, insbesondere durch Nutzung von rechteckigen Anregungsbereichen bzw. Schwingelementen, im Wesentlichen ebene Teilwellen angeregt, so kann für diese die zu dämpfende Schwingungsmode im Wesentlichen vollständig ausgelöscht werden. Die Wellenlänge der angeregten Schwingungsmoden sind bei einer gegebenen Anregungsfrequenz durch die Dispersionsrelation der Wand des Messrohrs bzw. jenes Wandabschnitts, der die Welle führt, vorgegeben. Das beschriebene Vorgehen kann auch bei einer Anregung in mehr als zwei Anregungsbereichen, das heißt durch mehr als zwei Schwingelemente, 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 Schwingungsmode entspricht.
• Der Anregungsverlauf kann den zeitlichen Verlauf der durch die Anregung verursachten Verformung der Schwingmembran bzw. Schwingplatte und somit der Wand bzw. den zeitlichen Verlauf 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, die Schwingelemente bzw. Anregungsbereiche derart anzuordnen, 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 antisymmetrischen 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 auch derart an der Schwingmembran bzw. Schwingplatte angeordnet 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: $$y_1=\text{sin}\left(\frac{2\pi }{\lambda }x-\omega t\right)+\text{sin}\left(-\frac{2\pi }{\lambda }x-\omega t\right)$$

  
• 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: $$y_1=\text{sin}\left(\frac{2\pi }{\lambda }\left(x+\raisebox{1ex}{$\lambda $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.\right)-\omega t-\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)+\text{sin}\left(-\frac{2\pi }{\lambda }\left(x+\raisebox{1ex}{$\lambda $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.\right)-\omega t-\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)$$

  
• Die Überlagerung, also die Summe der beiden Wellen, kann durch trigonometrisches Umformen berechnet werden, wobei sich das folgende Ergebnis ergibt: $$y_1+y_2=2\cdot \text{sin}\left(\frac{2\pi }{\lambda }x-\omega t\right)$$

  
• 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 $\frac{{\lambda }_0}{{\lambda }_1}=\frac{2\left(2p+1\right)+{\left(-1\right)}^m}{2m+1}$

  

  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: $$\mathrm{\Delta }x=\left(2m+1\right)\cdot \frac{{\lambda }_0}{4},$$

  

  wobei m Null oder eine ganze Zahl ist. Der Phasenversatz Φ kann dann folgendermaßen gewählt werden: $$\varphi ={\left(-1\right)}^m\frac{\pi }{2}.$$

  
• 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: $$\left(2p+1\right)\cdot \pi =2\pi \frac{\mathrm{\Delta }x}{{\lambda }_1}-\varphi ,$$

  

  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 separate 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, wobei das oder ein Gehäuse bereitgestellt wird, wonach die Schwingelemente an dem Gehäuse angebracht oder in Ausnehmungen des Gehäuses eingelegt werden, wonach die Schwingmembran oder die Schwingplatte derart an dem Gehäuse angebracht wird, dass sie die von dem Gehäuse abgewandten Seitenflächen der Schwingelemente mechanisch kontaktiert. Die Schwingelemente können insbesondere zunächst lose in das Gehäuse eingelegt werden und bei dem Aufbringen der Schwingmembran, also insbesondere eine Folie, oder der Schwingplatte zwischen dem Gehäuse und der Schwingmembran bzw. Schwingplatte eingeklemmt werden.
• Die Schwingmembran oder die Schwingplatte kann durch Verkleben oder durch Verschweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, oder durch Heißprägen mit dem Gehäuse verbunden werden. Hierdurch kann insbesondere eine Verbindung geschaffen werden, die dicht auch gegenüber kleinen Gegenständen und Staub und insbesondere gegenüber Flüssigkeiten ist.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
• 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
• 2 und 3 Detailansichten eines Schwingungswandlers der in 1 gezeigten Messeinrichtung, und
• 4 einen Schwingungswandler eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
• 1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung betreffenden Fluidgröße. Das Fluid wird hierbei in eine durch den Pfeil 7 gezeigte Richtung durch einen Innenraum 4 eines Messrohrs 3 geführt. Um die Fluidgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die Steuereinrichtung 2 eine Laufzeitdifferenz zwischen den Laufzeiten von einem ersten 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 aufwendige Signalverarbeitung durch die Steuereinrichtung 2 separiert werden, um die Fluidgröße bestimmen zu können. Dies erfordert einerseits eine aufwendige 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 weitgehende modenreine Anregung einer in der Seitenwand 9 geführten Gesamtwelle zu erreichen, wird ein Schwingungswandler 5 genutzt, der mehrere in beabstandeten Anregungsbereichen 21, 22 angeordnete Schwingelemente 17, 18 umfasst. Hierbei werden die Schwingungswandler 17, 18 nicht unmittelbar auf die Seitenwand 9 des Messrohrs 3 aufgesetzt, sondern zwischen den Schwingungswandlern 17, 18 und der Seitenwand 9 ist eine Schwingmembran 16 angeordnet. Statt der Schwingmembran 16 könnte auch eine Schwingplatte genutzt werden. Die Schwingelemente 17, 18 sind mit ihren dem Messrohr zugewandten Seitenflächen 19, 20 an der von dem Messrohr 3 abgewandten Oberfläche der Schwingmembran 16 in den Anregungsbereichen 21, 22 angeordnet. Die Schwingmembran 16 haltert gemeinsam mit dem Gehäuse 26 die Schwingelemente 17, 18 derart, dass die Mitten 24, 25 der Anregungsbereiche 21, 22 einen definierten Abstand 23 aufweisen. Wie später noch genauer erläutert werden wird, ist die Vorgabe des Abstands 23 wesentlich für eine modenreine Anregung.
• Durch das beschriebene Vorgehen wird erreicht, dass die Schwingelemente 17, 18 nicht einzeln an dem Messrohr 3 angeordnet werden müssen, wodurch im Rahmen der Anordnung der Abstand 23 exakt eingehalten werden müsste, was den Aufbau der Messeinrichtung erschwert. Stattdessen kann der Schwingungswandler 5 separat von dem Messrohr 3 als Modul hergestellt werden, was die Herstellung der Messeinrichtung und insbesondere eine ausreichend genaue Einhaltung des Abstands 23 erleichtert. Zudem kann durch das Gehäuse 26 und die Schwingmembran 16 erreicht werden, dass die Schwingelemente 17, 18 vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor einer Ansammlung von Kondensat und/oder vor Verschmutzungen, geschützt sind.
• Die Schwingmembran 16 ist vorzugsweise ausreichend dünn, dass sie für die angeregten geführten Wellen im Wesentlichen transparent ist. Insbesondere kann die Dicke der Schwingmembran 16 wesentlich kleiner als die Wellenlänge der geführten Welle im Festkörper, also insbesondere in der Seitenwand 9, sein. Alternativ könnte die Dicke so gewählt werden, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels dieser Wellenlänge ist, um ein akustisches Matching zwischen den Schwingungswandlern 17, 18 und der Seitenwand 9 zu realisieren.
• 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.
• Der Aufbau des Schwingungswandlers 5 sowie Details zur Herstellung des Schwingungswandlers 5 der Messeinrichtung 1 werden im Folgenden mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert. 2 zeigt eine Ansicht des Schwingungswandlers 5 vor einem Anbringen der Schwingmembran 16 an dem Gehäuse 26. Das Gehäuse 26 weist hierbei zwei Ausnehmungen 27, 28 auf, in die die Schwingelemente 17, 18, insbesondere lose, eingelegt sind. Wird nun über diesen Bereich die Schwingmembran 16, beispielsweise eine Folie mit einer Dicke zwischen 10 µm und 100 µm, angebracht, so werden die Schwingelemente 17, 18 durch eine Klemmkraft gegen das Gehäuse 26 gepresst und somit positionsfest gehaltert. Die Schwingmembran 16 kann beispielsweise durch Verkleben, durch Verschweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, oder durch Heißprägen mit dem Gehäuse 26 verbunden werden. Die Verbindung erfolgt insbesondere ausschließlich randseitig, wie schematisch durch die Verbindungslinie 29 dargestellt ist. Die Schwingelemente 17, 18 können somit durch das Gehäuse 25 und die Schwingmembran 16 gemeinsam vollständig umschlossen werden, wobei sie insbesondere staubdicht und fluiddicht umschlossen sind.
• Wie in 3 gezeigt ist, kann durch die Verklemmung der Schwingelemente 17, 18 zwischen Schwingmembran 16 und Gehäuse 26 zudem eine elektrische Kontaktierung der Schwingelemente 17, 18 realisiert werden. Die Schwingelemente 17, 18 können jeweils einen Schwingkörper 30, eine erste Elektrode 31, die an einer der Schwingmembran 16 zugewandten Seitenfläche des Schwingkörpers 30 angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 32, die an der gegenüberliegenden Seitenfläche des Schwingkörpers 30 angeordnet ist, umfassen. Die erste Elektrode 31 kann sich zur leichteren Kontaktierung auf die von der Schwingmembran 16 abgewandte Seitenfläche des Schwingkörpers 30 erstrecken und über die gehäuseseitige Elektrode 33 kontaktiert werden. Die zweite Elektrode 32 kann über die gehäuseseitige Elektrode 34 kontaktiert werden.
• Um einen Symmetriebruch und somit eine Störung von Eigenschwingungen des Schwingkörpers 30 zu vermeiden, kann die zweite Elektrode 32 zudem bis zu der der Schwingmembran 16 zugewandten Seitenfläche des Schwingkörpers 30 gezogen sein.
• Durch das Klemmen des Schwingelements 17, 18 zwischen Schwingmembran 16 und Gehäuse 26 werden die Elektroden 31, 32 der Schwingelemente 17, 18 auf die gehäuseseitigen Elektroden 33, 34 gepresst und das Schwingelement wird somit mit geringem Aufwand robust kontaktiert. Die Schwingmembran 16 selbst besteht vorzugsweise aus einem isolierten Material, beispielsweise aus einem Kunststoff.
• In einigen Anwendungsfällen kann es gewünscht sein, statt einer dünnen Schwingmembran 16, die beispielsweise aus einer Folie besteht, eine etwas robustere Schwingplatte 40 zu nutzen, wie dies beispielsweise in 4 dargestellt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse 35 durch zwei Gehäusekomponenten 36, 37 gebildet, wobei die Schwingplatte 40 dadurch gebildet ist, dass die Komponente 37 des Gehäuses in einem Schwingbereich 38, der zumindest die Anregungsbereiche 21, 22 und einen zwischen den Anregungsbereichen liegenden Zwischenbereich 39 umfasst, eine geringere Dicke aufweist als in einem wenigstens einseitig an den Schwingbereich angrenzenden Haltebereich. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt nur grob einen diesbezüglichen schematischen Aufbau. Vorangehend mit Bezug auf 1 bis 3 erläuterte Merkmale können auf dieses Ausführungsbeispiel übertragen werden. Insbesondere können in der Gehäusekomponente 36 Ausnehmungen vorgesehen sein, die die Schwingelemente 17, 18 lose haltern. Zudem kann eine Kontaktierung wie zu 3 erläutert erfolgen.
• Bezugszeichenliste

1

Messeinrichtung

2

Steuereinrichtung

3

Messrohr

4

Innenraum

5

Erster Schwingungswandler

6

Zweiter Schwingungswandler

7

Pfeil

8

Ultraschallstrahl

9

Seitenwand

10

Dicke

11

Pfeil

12

Seitenwand

13

Pfeil

14

Rayleigh-Winkel

15

Schwingungswandler

16

Schwingmembran

17

Schwingelement

18

Schwingelement

19

Seitenfläche

20

Seitenfläche

21

Anregungsbereich

22

Anregungsbereich

23

Abstand

24

Mitte

25

Mitte

26

Gehäuse

27

Ausnehmung

28

Ausnehmung

29

Verbindungslinie

30

Schwingkörper

31

Elektrode

32

Elektrode

33

Elektrode

34

Elektrode

35

Gehäuse

36

Gehäusekomponente

37

Gehäusekomponente

38

Schwingbereich

39

Zwischenbereich

40

Schwingplatte

Claims (10)

1. 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) eine Schwingmembran (16) oder eine Schwingplatte (40) aufweist, die direkt oder über eine Kopplungsschicht mit dem Messrohr (3) gekoppelt ist, wobei an der von dem Messrohr (3) abgewandten Oberfläche der Schwingmembran (16) oder der Schwingplatte (40) in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen (21, 22) ein jeweiliges Schwingelement (17, 18) angeordnet ist, 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.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmembran (16) durch eine Folie gebildet wird und/oder eine Dicke zwischen 3 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm, aufweist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) an einem Gehäuse (26, 35) befestigt ist, wobei die Schwingelemente (17, 18) durch das Gehäuse (26, 35) oder gemeinsam durch das Gehäuse (26, 35) und die Schwingmembran (16) oder Schwingplatte (40) gehaltert sind.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) oder jedes einzelne der Schwingelemente (17, 18) durch das Gehäuse (26) und die Schwingmembran (16) gemeinsam oder durch das Gehäuse (35) und die Schwingplatte (40) gemeinsam vollständig umschlossen werden.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingplatte (40) dadurch gebildet ist, dass eine Komponente (37) des Gehäuses (35) in einem Schwingbereich (38), der zumindest die Anregungsbereiche (21, 22) und einen zwischen den Anregungsbereichen (21, 22) liegenden Zwischenbereich (39) umfasst, eine geringere Dicke aufweist als in einem wenigstens einseitig an den Schwingbereich (38) angrenzenden Haltebereich.
6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) jeweils dadurch mechanisch in dem Gehäuse (26, 35) fixiert und/oder elektrisch kontaktiert werden, dass durch die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) eine Klemmkraft auf das jeweilige Schwingelement (17, 18) ausgeübt wird, durch die es zwischen die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) und das Gehäuse (26, 35) geklemmt ist.
7. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) aus Kunststoff und/oder einem elektrisch isolierenden Material besteht.
8. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingelemente (17, 18) jeweils einen Schwingkörper (30) und eine ersten Elektrode (31), die an einer der Schwingmembran (16) oder der Schwingplatte (40) zugewandten Seitenfläche des jeweiligen Schwingkörpers (30) angeordnet ist, und eine zweiten Elektrode (32), die an der gegenüberliegenden Seitenfläche des Schwingkörpers (30) angeordnet ist, umfassen, wobei sich die jeweilige erste Elektrode (31) auf die gegenüberliegende und/oder wenigstens eine weitere Seitenfläche des jeweiligen Schwingkörpers (30) erstreckt.
9. Verfahren zur Herstellung einer Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder ein Gehäuse (26, 35) bereitgestellt wird, wonach die Schwingelemente (17, 18) an dem Gehäuse (26, 35) angebracht oder in Ausnehmungen (27, 28) des Gehäuses (26, 35) eingelegt werden, wonach die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) derart an dem Gehäuse (26, 35) angebracht wird, dass sie die von dem Gehäuse (26, 35) abgewandten Seitenflächen der Schwingelemente (17, 18) mechanisch kontaktiert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmembran (16) oder die Schwingplatte (40) durch Verkleben oder durch Verschweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, oder durch Heißprägen mit dem Gehäuse (26, 35) verbunden wird.

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