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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung des Durchflusses eines Fluids.
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Der Durchfluss eines Fluids in einer Leitung kann mittels eines Ultraschalldurchflussmessers gemäß dem Verfahren zum Messen des Unterschieds der Laufzeitdauer gemessen werden. Diese Einrichtung ist nunmehr Dank des Fortschritts der Elektronik weitverbreitet, die ein Messen von Zeitintervallen mit hoher Auflösung ermöglicht.
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Eine Art eines bekannten Ultraschalldurchflussmessers, der insbesondere durch das Dokument
US-20140345390-A1 dargestellt wird, umfasst einen Fluidkanalzylinder, der an jedem Ende einen Einlass oder einen Auslass des Fluids aufweist, das in eine Richtung senkrecht zu diesem Zylinder fließt.
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Jedes Ende des Fluidkanalzylinders weist eine Verschlussfläche auf, die senkrecht zu diesem Zylinder ist, der an der Außenseite auf einer Seite einen Ultraschallsender und auf der anderen Seite einen Empfänger aufnimmt, der die durch den Sender emittierten Wellen aufnimmt.
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Der Zylinder umfasst ferner ein innen eingepasstes Rohr, das eine axiale Bohrung darstellt, die einen Kanal bildet, der den Durchfluss des Fluids sowie die Ultraschallwelle, die durch den Sender gesendet wird, aufnimmt. Das Rohr, das aus einem ultraschallabsorbierenden Material, wie z.B. einem Polymer, hergestellt ist, erreicht eine Abschwächung der Fortpflanzung der Schallwellen, die auf den Seiten des Kanals verstreut sind, um parasitäre Fortpflanzungen des Signals zu vermeiden, das zu einem Geräusch am Empfänger zusätzlich zum relevanten Signal führt, das nur durch das Fluid übertragen wird, was durch den Empfänger erwartet wird.
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Der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schallsignals im Fluid wird die Fluidgeschwindigkeit hinzugefügt, die zu einer kleinen Änderung im Zeitintervall zwischen der Emission durch den Sender und dem Empfang durch den Empfänger führt, die gemessen wird. Die Kenntnisse über die Eigenschaften des Fluids und der Geometrie dieses Fluidkanals werden für eine Fluidgeschwindigkeit sowie den Volumendurchfluss hergeleitet.
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Dennoch kann diese Art von Durchflussmessern Probleme aufweisen, weil das Rohr, das die Fortpflanzung von Schallwellen abschwächt, immer noch parasitäre Wellen passieren lässt, die ein Messgeräusch auf dem Empfänger liefern.
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Insbesondere besteht ein zusätzliches Messverfahren, das diese Art Durchflussmesser verwendet, im Messen der Fortpflanzungszeiten einer Ultraschallwelle zwischen einem Sender und einem Empfänger, die Wandler genannt werden, in einer Strömung des Fluids, wenn diese Welle gleichstrommäßig in die Richtung des Flusses und gegenstrommäßig in die umgekehrte Richtung emittiert wird.
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Zu diesem Zweck wird der stromaufwärts liegende Wandler mit Energie versorgt, der eine gleichstrommäßige Welle emittiert, die durch den stromabwärts liegenden Wandler empfangen wird. Danach wird der stromabwärts liegende Wandler mit Energie versorgt, der eine gegenstrommäßige Welle emittiert, die durch den stromaufwärts liegenden Wandler empfangen wird. Somit schaltet jeder Wandler abwechselnd von einem Emissionszustand zu einem Empfangszustand.
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Weil der Abstand zwischen den beiden Wandlern bekannt ist, ermöglicht der Unterschied zwischen den beiden Laufzeiten der Welle ein Bestimmen der Fließgeschwindigkeit des Fluids gemäß den physikalischen Eigenschaften des letzteren, vor allem des Drucks und der Temperatur. Die Geometrie des Kanals ermöglicht dann ein Berechnen des Volumendurchflusses der Strömung.
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Insbesondere bei dieser Messverfahrensart kann das Messgeräusch, das von den parasitären Wellen kommt, die durch den Festkörper des Messkanals übertragen werden, durch Beeinträchtigen der Genauigkeit der Messung der Laufzeiten der Welle im Fluid problematisch sein.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, insbesondere diese Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden, insbesondere die Messgeräusche des Ultraschalldurchflussmessers zu reduzieren.
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Die Erfindung sieht hierzu eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung des Durchflusses eines Fluids in einem Messkanal mit Fluidzuführleitungen an seinen Enden vor, wobei dieser Messkanal, der einen Wellenleiter bildet, der in einem Festkörper hergestellt ist, an jedem Ende einen Wandler aufweist, der Ultraschall emittieren oder empfangen kann, der in der Achse des Kanals zirkuliert, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Wandler eine Hülse umfasst, die den Ultraschall überträgt, die einen Wellenleiter aufweist, der dem Messkanal zugewandt ist, und außerhalb dieses Wellenleiters Formen aufweist, die den Ultraschall in Richtungen, die sich von denen des Kanals unterscheiden, ausrichten.
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Ein Vorteil dieser Ultraschallmessvorrichtung ist, dass in einer einfachen und kostengünstigen Weise die konische Form am hinteren Ende des Wellenleiters, das dem Kanal zugewandt ist, eine Emission von parasitären Ultraschallwellen im Festkörper mit einem Winkel bezüglich der Achse des Messkanals, die zum entgegengesetzten Wandler ausgerichtet ist, ausführt, was ein Ablenken dieser Wellen vom kürzesten Pfad zum Empfänger ermöglicht. So wird das Eintreffen von Messgeräuschen im Empfangswandler, die von der Fortpflanzung der Wellen im Festkörper um den Messkanal herum kommen, abgeschwächt oder verzögert.
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Die Ultraschallmessvorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften umfassen, die miteinander kombiniert werden können.
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Vorzugsweise umfassen die Formen, die den Ultraschall in eine unterschiedliche Richtung senden, eine Umlaufform, die auf der Achse des Kanals zentriert ist, die auf dem Festkörper aufliegt.
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Vorzugsweise umfasst jede Wandlerhülse eine Kontur, die in einem Hohlraum eingepasst ist, der am hinteren Ende des Messkanals ausgebildet ist.
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In diesem Fall umfasst jeder Wellenleiter vorzugsweise eine vordere Querfläche, die unmittelbar hinter einer Fluidzuführleitung angeordnet ist.
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Vorzugsweise kann jede Wandlerhülse, ausgehend von hinten, einen geradlinigen zylindrischen Bereich, die Umlaufform, die den Durchmesser verengt, dann den Wellenleiter, der einen geradlinigen zylindrischen Bereich bildet, der das Ende des Messkanals füllt, umfassen.
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Vorzugsweise bildet die Umlaufform einen Kegel, der einen Öffnungswinkel zwischen 60° und 120° darstellt. Dieser Winkel verhindert eine Emission von parasitären Wellen im Körper, der entlang der Achse ausgerichtet ist, direkt zum Empfängerwandler und sie nach hinten zurückbringt.
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Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung ein hinteres axiales Befestigungssystem der Wandlerhülse. Diese axiale Befestigung ermöglicht ein Zusammenpressen der konischen Form der Hülse auf die korrespondierende Form des Körpers, um die Ultraschallwellen durch diese Flächen zu übertragen.
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In diesem Fall kann das axiale Befestigungssystem eine Mutter, die mit einem Gewinde des Körpers der Vorrichtung im Eingriff ist, das entlang der Achse des Messkanals angeordnet ist, umfassen.
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Vorzugsweise umfasst der Körper der Vorrichtung zwischen den beiden Fluidzuführleitungen zumindest einen Querriss, der diesen Körper in zwei unterschiedliche axiale Bereiche teilt. Der zumindest eine Riss bildet eine Unterbrechung, die die Übertragung der parasitären Ultraschallwellen im Festkörper begrenzt.
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In diesem Fall umfasst der zumindest eine Riss vorzugsweise eine Luftschicht oder eine Schicht von Materialien mit einer akustischen Impedanz, die sich von der des Körpers unterscheidet, die zwischen den beiden axialen Bereichen des Körpers angeordnet ist.
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Vorzugsweise umfasst der Körper der Vorrichtung zwei Bohrungen, die die Fluidzuführleitungen bilden, die an den Enden des Messkanals offen sind, die mit diesem Kanal einen Winkel zwischen 120° und 150° bilden.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nach Lesen der folgenden Beschreibung offensichtlich, die nur beispielhaft durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen vorgegeben ist:
- 1 ist ein axialer Schnitt einer Ultraschallmessvorrichtung gemäß der Erfindung; und
- 2 eine detaillierte Ansicht diese Messvorrichtung, die einen Wandler darstellt.
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1 und 2 stellen eine Ultraschallmessvorrichtung mit einem Körper 2 dar, der einen geradlinigen Messkanal 6 aufweist, der entlang einer Längsachse angeordnet ist, der mit Zuführbohrungen 8 verbunden ist, die auf einer Seite eine Einlassbohrung und einen stromaufwärts liegenden Wandler 20 und auf der anderen Seite eine Auslassbohrung und einen stromabwärts liegenden Wandler aufweisen.
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Die Vorderseite von jedem Wandler 20 ist üblicherweise entlang seiner Achse als die Seite ausgebildet, die dem Kanal 6 zugewandt ist, die Ultraschall emittiert oder empfängt.
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Die Zuführbohrungen 8, die in derselben Ebene angeordnet sind, die durch die Achse des Kanals 6 hindurchgeht, sind jeweils in einem Winkel von 135° bezüglich dieses Kanals geneigt. Dieser beträchtliche Winkel, der vorzugsweise zwischen 120° und 150° liegt, fördert den Fluss des Fluids durch Begrenzen des Druckabfalls, der sich aus einem sehr spitzen Winkel zwischen den Zuführbohrungen 8 und der Achse des Kanals 6 ergibt.
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Jede Zuführbohrung 8 nimmt einen Metallbeschlag 12 auf, der durch ein Gewinde 14 auf dem Körper 2 verschraubt ist, der eine Einlassleitung 26 und eine Auslassleitung 28 hält, die in der Achse dieser Bohrung angeordnet sind.
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Alternativ können die Zuführbohrungen 8 in unterschiedlichen Ebenen gemäß den gewünschten Ausrichtungen der Einlassleitung 26 oder Auslassleitung 28, die mit der Messvorrichtung verbunden sind, angeordnet werden.
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Jedes Ende des Kanals 6 nimmt einen piezoelektrischen Wandler 20 auf, der einen Zylinder bildet, der entlang der Achse dieses Kanals angeordnet ist, der von hinten in einen zylindrischen Hohlraum einer Hülse 42 eingesetzt wird, die durch eine hintere Stellmutter 22 gehalten wird. Der Wandler 20 umfasst entlang seiner Achse Stromversorgungskabel 24, die von der Rückseite herauskommen.
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Jedes Ende des Kanals 6 erstreckt sich durch eine Hohlraumöffnung zur Außenseite des Körpers 2 mit, ausgehend von der Außenseite, einer Bohrung mit großem Durchmesser, danach eine konische Fläche, die auf einer sich verjüngenden Achse zentriert ist, die einen Öffnungswinkel von 90° darstellt, und schließlich die Bohrung des Kanals, die einen konstanten Durchmesser D darstellt.
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Jede Wandlerhülse 42 stellt, ausgehend von der Rückseite, eine zylindrische Form 30, die in der Bohrung mit großem Durchmesser des Endhohlraums des Kanals 6 eingepasst ist, und dann eine konische Verengung 32 dar, die auf der konischen Fläche dieses Hohlraums eingepasst ist, die auf dieser Fläche durch das Festziehen der hinteren Mutter 22 aufliegt.
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Die Bohrung des Endhohlraums des Kanals 6 umfasst eine Innennut 36, die eine Dichtung aufnimmt, die auf der zylindrischen Form 30 der Hülse 42 befestigt ist, um eine statische Abdichtung zu gewährleisten.
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Die Wandlerhülse 42 stellt schließlich einen zylindrischen Bolzen dar, der in die Bohrung des Kanals 6 eingepasst ist, einen Wellenleiter 40 bildet, der mit einer vorderen Querfläche 34 endet, die unmittelbar vor der Zuführbohrung 8 angeordnet ist. Die Wandlerhülse 42 ist aus einem Material hergestellt, dessen Verhalten bei der Übertragung von Ultraschall und Verhalten bei Druck und Temperatur bekannt ist.
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Der Wellenleiter 40 bildet einen Bereich, der das Ende des Messkanals 6 füllt, der vor der konischen Verengung 32 angeordnet ist, die sich nach oben zur Abzweigung zwischen diesem Kanal und der Zuführbohrung 8 erstreckt. So gibt es keinen ausgesparten Bereich des Fluids im Messkanal 6, der die Zuverlässigkeit der Messung reduzieren würde.
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Die Wandler 20 weisen eine piezoelektrische Keramik auf, die das Element ist, das elektrische Spannungen in Vibrationen umwandelt oder umgekehrt einen Durchmesser darstellt, der größer als der Durchmesser D des Messkanals ist. Somit ist die Richtung der Fortpflanzung der Welle, die bei der Messung nützlich ist, die durch einen Wandler 20 emittiert wird, durch den Wellenleiter 40 hindurchgeht und dann von der vorderen Querfläche 34 dieses Wellenleiters austritt, parallel zur Achse des Messkanals 6, um sich so entlang dieses Kanals zum entgegengesetzten Wandler fortzupflanzen.
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Zusätzlich stellt die konische Verengung 32 des vorderen Bereichs von jeder Wandlerhülse 42 einen Öffnungswinkel von 90° dar, die ein Reflektieren der parasitären Ultraschallwellen nach hinten ermöglicht, die durch den Wandler auf den Seiten vor dem Wellenleiter 40 emittiert werden. Allgemein kann der Öffnungswinkel der konischen Verengung 32 zwischen 60° und 120° liegen.
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So wird die Vorwärtsfortpflanzung der Ultraschallwellen im Solid des Körpers 2 der Vorrichtung reduziert, die den entgegengesetzten Wandler 20 erreichen würde, um ein Senden parasitärer Wellen dahin zu vermeiden, die denjenigen hinzugefügt werden würden, die das Fluid des Messkanals 6 durchlaufen.
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Der Körper 2 der Messvorrichtung umfasst an jedem Ende des Kanals 6 einen kreisförmigen Vorsprung, der auf der Achse dieses Kanals zentriert ist, der sich nach hinten von diesem Körper aus erstreckt und der ein äußeres Gewinde 38 aufweist.
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Eine Stellmutter 22, die auf dem Gewinde 38 in Eingriff ist, befestigt die hintere Fläche der Wandlerhülse 42 axial, um so ihre vordere konische Verengung 32 auf der korrespondierenden konischen Fläche des Endhohlraums des Kanals 6 zu pressen. Die Stellmutter 22 umfasst eine mittlere Bohrung, die dem Stromversorgungskabel 24 des Wandlers 20 ein Herauskommen von der Rückseite ermöglicht.
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Der Messkanal 6 weist eine Länge L, die definiert ist, um den Abstand zwischen den beiden vorderen Querflächen 34 des Ventilators 40 zu sein, und einen konstanten Durchmesser D mit einem L/D-Verhältnis auf, das vorzugsweise zwischen 3 und 300 liegt.
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Der Körper 2 der Messvorrichtung umfasst zwischen den beiden Zuführbohrungen 8 einen Querriss 4, der diesen Körper in zwei unterschiedliche axiale Bereiche teilt, während ein Abdichten auf der Höhe des Messkanals 6 aufrechterhalten wird, um den Durchgang des Fluids zu gewährleisten. Der Querriss 4 kann insbesondere eine Luftschicht oder eine Schicht von Materialien mit einer akustischen Impedanz umfassen, die sich von der des Körpers 2 unterscheidet, die den Ultraschall abschwächt.
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So bildet der Querriss 4 eine Trennung, die die Festkörperweg-Fortpflanzung des parasitären Ultraschalls entlang des Körpers 2 jenseits dieser Trennung beträchtlich abschwächt, die vom Senderwandler starten und den Empfängerwandler durch Erzeugen eines Messgeräuschs erreichen würde.
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Die Messvorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere für Kraftstoff-Durchflussmessungen geeignet, die zur Einspritzung in eine Wärmekraftmaschine mit Druckbereichen zwischen 0 bar und 3000 bar und Temperaturbereichen zwischen -30°C und 140°C beabsichtigt sind.
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Für diese Anwendungsart mit sehr kurzen Einspritzzeiten ist eine hohe Abtastfrequenz erforderlich, um eine genaue Messung zu erhalten.
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Insbesondere ist es möglich, den stromaufwärts liegenden Wandler mit Energie zu versorgen, der eine gleichstrommäßige Welle emittiert, die durch den stromabwärts liegenden Wandler empfangen wird. Danach wird der stromabwärts liegende Wandler, der eine gegenstrommäßige Welle emittiert, die durch den stromaufwärts liegenden Wandler empfangen wird, mit Energie versorgt. Diese Empfänge stellen minimale parasitäre Signale dank der unterschiedlichen Anordnungen der Erfindung dar.
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Die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften der Messvorrichtung und des Fluids sowie der Druck- und Temperaturzustände ermöglicht dem Unterschied zwischen den beiden Laufzeiten der Welle ein genaues Berechnen des Volumendurchflusses der Strömung mit minimalen parasitären Signalen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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