DE102019110514A1

DE102019110514A1 - Fluidmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102019110514A1
Application number: DE102019110514.5A
Authority: DE
Inventors: Yannik Fuchs; Yves Hoog; Bertrand Koenig; Stanislas CLATOT
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: US20190331642A1; CN110412134B; CN110412134A; FR3080683B1; FR3080683A1; US10845338B2; DE102019110514B4

Abstract

Eine Fluidmesseinrichtung (10) hat ein Messrohr (12) mit einem von einem Fluid (F) durchströmbaren Fluidkanal (18), das einen Messabschnitt (20) aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand (21) als Wellenleiter (22) für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid (F) bildet, und wenigstens einen Sender (24) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter (22) sowie wenigstens einen Empfänger (26) zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter (22), wobei durch den Sender (24) angeregte akustische Wellen sich als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausbreiten können und die Volumenwelle (V) wenigstens einen Reflexionspunkt (IP) an der Messrohrwand (21) aufweist. Die Messrohrwand (21) weist im Bereich des Senders (24) und im Bereich des Empfängers (26) eine erste Wandstärke (T1) auf und weist im Bereich sämtlicher Reflexionspunkte (IP) der Volumenwelle (V) eine zweite Wandstärke (T2) auf, die sich von der ersten Wandstärke (T1) unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids, mit einem Messrohr mit einem von dem Fluid durchströmbaren Fluidkanal, das einen Messabschnitt aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid bildet, und wenigstens einem Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter sowie wenigstens einem Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter, die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sind, wobei durch den Sender angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle durch das Fluid ausbreiten können und die Volumenwelle wenigstens einen Reflexionspunkt an der Messrohrwand aufweist.
Die Eigenschaften des Fluids sind z. B. dessen Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Temperatur und/oder Homogenität.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung von Flüssigkeit, die durch sie hindurchströmt.
Eine derartige Fluidmesseinrichtung ist aus der DE 10 2014 106 706 A1 bekannt und dient dazu, mithilfe akustischer Wellen bestimmte Eigenschaften des im Fluidkanal strömenden Fluids zu messen. Hierzu werden im Wellenleiter akustische Oberflächenwellen (englisch: surface acoustic waves, SAW) angeregt, deren Art und Frequenz so gewählt sind, dass eine teilweise Auskopplung in das den Wellenleiter unmittelbar kontaktierende Fluid erfolgt. Ein Teil der akustischen Oberflächenwellen im Wellenleiter wird somit als longitudinale Volumenschallwellen in das Fluid eingekoppelt und durchläuft dieses.
Auf ihrem Weg durch das Fluid werden die Schallwellen mindestens einmal an einer gegenüberliegenden Wand des Fluidkanals reflektiert, so dass sie wieder auf den Wellenleiter treffen, wo ein Teil dieser Volumenwellen wieder als akustische Oberflächenwellen in den Wellenleiter eingekoppelt wird und in diesem weiterläuft. Dadurch ergibt sich am Empfänger, der vom Sender beabstandet am Wellenleiter angeordnet ist, ein charakteristisches Signal, dessen zeitlicher Intensitätsverlauf (inklusive der zeitlichen Verzögerung gegenüber dem vom Sender ausgesandten Signal) Rückschlüsse auf charakteristische Eigenschaften des Fluids wie z. B. Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Homogenität, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Konzentration oder Viskosität zulässt.
Um beim Messverfahren mit akustischen Wellen eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, ist eine lange Wegstrecke der Volumenwelle durch das Fluid notwendig, insbesondere bei geringen Fluiddurchsätzen. Hierzu wäre grundsätzlich eine lange Messstrecke zwischen Sender und Empfänger von Vorteil, wodurch sich aus geometrischen Gründen mehrere Reflexionen der Volumenwelle an der Innenseite der Messrohrwand ergeben.
Aus eben diesem Grund jedoch ist die Länge der Messstrecke bei bekannten Messeinrichtungen limitiert, da bei jeder Reflexion der Volumenwelle an der Wand ein Teil ihrer Energie in die Messrohrwand einkoppelt und dadurch weniger reflektiert wird. Die Volumenwelle wird folglich mit jeder Interaktion deutlich schwächer, was zur Abnahme der Signalstärke am Empfänger führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fluidmesseinrichtung bereitzustellen, die sich bei guter Signalstärke durch einen vergrößerten Messbereich, insbesondere für die Messung kleiner Fluiddurchsätze, auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Fluidmesseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Messrohrwand im Bereich des Senders und im Bereich des Empfängers (d. h. an dem Wandabschnitt, an dem Sender bzw. Empfänger befestigt sind) eine erste Wandstärke aufweist und im Bereich sämtlicher Reflexionspunkte der Volumenwelle eine zweite Wandstärke aufweist, die sich von der ersten Wandstärke unterscheidet.
Bei bekannten Messrohren nach dem Stand der Technik ist die gesamte Wandstärke zwischen Sender und Empfänger konstant und so ausgelegt, dass sich die Oberflächenwellen gut in das Fluid einkoppeln. Jedoch wird an jedem Reflexionspunkt der Volumenwelle an der Messrohrwand ein Teil der Energie in die Rohrwand einkoppelt und dadurch weniger reflektiert. Die Volumenwelle wird mit jeder Interaktion schwächer und das am Empfänger ankommende Signal wird entsprechend abgeschwächt.
Hier setzt die Erfindung an. Es wurde festgestellt, dass die Energieabgabe an die Messrohrwand maßgeblich durch die Wahl der Wandstärke beeinflusst wird. Damit an einem Reflexionspunkt der Volumenwelle weniger Energie an die Messrohrwand abgegeben wird, wird die am Reflexionspunkt vorliegende zweite Wandstärke abweichend von der für das Ein- bzw. Auskoppeln im Bereich des Senders bzw. Empfängers optimalen ersten Wandstärke gewählt. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Reflexion an dem bzw. den Reflexionspunkten verbessern, weil dort das Einkoppeln der Schallwellen in die Messrohrwand erschwert, bestenfalls sogar ganz verhindert wird. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bei guter Signalstärke eine deutlich längere Wegstrecke der Volumenwelle durch das Fluid und damit ein vergrößerter Messbereich realisiert werden, was insbesondere für die Messung kleiner Fluiddurchsätze von Vorteil ist.
Die Erfindung wird auch gelöst durch eine Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids, mit einem Messrohr mit einem von dem Fluid durchströmbaren Fluidkanal, das einen Messabschnitt aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid bildet, und wenigstens einem Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter sowie wenigstens einem Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter, die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sind, wobei durch den Sender angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle durch das Fluid ausbreiten können und die Volumenwelle wenigstens einmal an der Messrohrwand in einem Reflexionsbereich zwischen Sender und Empfänger reflektieren kann. Die Messrohrwand weist im Bereich des Senders und im Bereich des Empfängers eine erste Wandstärke und im Reflexionsbereich auf einer gedachten, in der Rohrwand verlaufenden Parallelen zur Längsachse des Messrohrs, die durch den Einkoppelbereich des Senders verläuft, eine zweite Wandstärke auf, die sich von der ersten Wandstärke unterscheidet.
Der wenigstens eine Reflexionspunkt, in dessen Bereich die Messrohrwand die zweite Wandstärke aufweist, liegt insbesondere entlang der Längsachse des Messrohrs gesehen zwischen Sender und Empfänger.
Insbesondere liegen der Sender und der Empfänger auf einer Verbindungsgeraden, die parallel zur Längsachse des Fluidkanals verläuft. Auf dieser Verbindungsgeraden liegt dann bei dieser Variante der Erfindung auch der Bereich mit der zweiten Wandstärke, d. h. auf der Verbindungsgeraden gibt es im Bereich des Senders und des Empfängers jeweils einen Bereich mit der ersten Wandstärke und zwischen diesen Bereichen den Bereich mit er zweiten Wandstärke.
Die Längsachse des Fluidkanals verläuft zwischen Sender und Empfänger bevorzugt linear.
Es können bekannte Dämpfungselemente am Sender und/oder der Messrohrwand vorhanden sein, die für eine gerichtete Abgabe der Wellen durch den Sender bzw. eine gerichtete Wellenfront sorgen, so dass die Reflexionspunkte und Reflexionsbereiche sehr genau festgelegt sind.
Vorzugsweise ist die erste Wandstärke der Messrohrwand kleiner oder gleich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle, insbesondere beträgt sie 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 %, der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle. Bei dieser optimalen Wandstärke werden die Oberflächenwellen besonders gut vom Sender in die Wand eingekoppelt, von wo aus sie sich in das Fluid weiter ausbreiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Wandstärke um 20 % bis 95 %, insbesondere um 50 %, größer oder kleiner als die erste Wandstärke. Somit ist es möglich, durch eine dickere oder eine dünnere Wandstärke das Einkoppeln der Oberflächenwellen in die Wand zu behindern und so die Reflexion an den Reflexionspunkten zu verbessern. Dabei sind die erste und die zweite Wandstärke insbesondere jeweils konstant.
Um eine hohe mechanische Festigkeit des Messrohrs zu erzielen, ist vorteilhaft die zweite Wandstärke größer als die erste Wandstärke.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Sender und dem Empfänger ein in Axialrichtung des Messrohres länglicher Zwischenbereich vorgesehen, der die Bereiche des Senders und Empfängers mit der ersten Wandstärke in Axialrichtung verbindet, wobei der Zwischenbereich im jedem Radialschnitt für sich gesehen in Axialrichtung eine konstante Wandstärke aufweist. Der längliche Zwischenbereich weist dabei insbesondere die zweite Wandstärke auf.
Vorteilhaft weist die Volumenwelle mehrere Reflexionspunkte an der Messrohrwand auf, wobei die Messrohrwand im Bereich jedes Reflexionspunkts die zweite Wandstärke aufweist. Dadurch ergibt sich eine lange Wegstrecke der Volumenwelle durch das Fluid bei gleichzeitig guter Signalstärke. Insbesondere weist die Messrohrwand also auch auf der einer (gedachten) Verbindungslinie zwischen Sender und Empfänger gegenüberliegenden Seite die zweite Wandstärke auf.
Besonders gute Messergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Volumenwelle in Bereichen der Messrohrwand, die die zweite Wandstärke aufweisen, wenigstens 1 bis 6 Reflexionspunkte an der Messrohrwand, insbesondere 3 Reflexionspunkte, hat.
Vorzugsweise ist im Bereich des Senders und im Bereich des Empfängers jeweils ein Wandbereich mit der ersten Wandstärke vorgesehen, der sich von der dem Empfänger zugewandten Seite des Senders beginnend sowie von der dem Sender zugewandten Seite des Empfängers beginnend jeweils axial über eine Länge von 1 bis 20 Wellenlängen, insbesondere 5 bis 10 Wellenlängen, erstreckt. Dies ermöglicht im Bereich des Senders eine gute Einkopplung der Oberflächenwelle zunächst in die Messrohrwand und dann in das Fluid. Umgekehrt erleichtert ein dem Empfänger vorgelagerter Bereich mit der ersten Wandstärke die Umwandlung der Volumenwelle in Oberflächenwellen in der Messrohrwand, die vom Empfänger anschließend in elektrische Signale umgesetzt werden.
Um unerwünschte Reflexionen der Oberflächenwellen an beispielsweise Kanten oder Querschittssprüngen zu vermeiden, gehen bevorzugt zumindest in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen die Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken stetig und absatzfrei ineinander über.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich in einem Zwischenbereich zwischen dem Bereich des Senders und des Empfängers im Bereich mit der zweiten Wandstärke eine durchgehende Nut in der Messrohrwand, in der die Messrohrwand vorzugsweise die erste Wandstärke aufweist, so dass Sender und Empfänger über die Nut direkt miteinander schallgekoppelt sind, insbesondere wobei die Wandstärke im Zwischenbereich außerhalb der Nut konstant ist. Über diese Nut können sich die Oberflächenwellen innerhalb der Rohrwand besonders gut ausbreiten, zumal in den Bereichen mit der zweiten Wandstärke ihre Ausbreitung deutlich erschwert ist.
Insbesondere breiten sich Oberflächenwellen außerhalb des Fluids direkt über die durchgehende Nut vom Sender zum Empfänger aus.
Der Sender und der Empfänger können als Piezowandler, insbesondere als Interdigitalwandler, ausgebildet sein, die vorzugsweise abwechselnd als Sender und Empfänger dienen. Wechseln sich Sender und Empfänger ab, kann z. B. aus der Laufzeitdifferenz der Volumenwellen auf den Fluiddurchsatz geschlossen werden.
Um weitere Messverfahren zu ermöglichen oder um die Genauigkeit der Messergebnisse zu verbessern, ist es möglich, am Messrohr mehrere Sender und/oder Empfänger vorzusehen, wobei ein Sender und ein Empfänger auf einem gemeinsamen Wandbereich mit der ersten Wandstärke angeordnet sind.
Vorzugsweise erstrecken sich der Sender und der Empfänger über mindestens 90 % der Breite des Fluidkanals. Dies ermöglicht es, das Fluid in nahezu der kompletten Kanalbreite zu durchschallen, was die Fluidmesseinrichtung wesentlich unempfindlicher gegenüber einer über den Strömungsquerschnitt im Fluidkanal ungleichmäßig verteilten Strömung macht. Im Falle eines runden Querschnitts des Fluidkanals entspricht die „Breite“ natürlich dem Durchmesser bzw. dem halben Umfang.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Messrohr im Messabschnitt einen im Wesentlichen eckigen Querschnitt auf. Hiermit ist sowohl der Innenquerschnitt, also der Querschnitt des Fluidkanals, als auch der Außenquerschnitt des Messrohres gemeint, wobei die eigentlichen „Ecken“ abgerundet sein können. Insbesondere weist das Messrohr im Messabschnitt einen im Wesentlichen rechteckigen oder im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, wiederum mit abgerundeten Ecken, falls gewünscht..
Vorteilhaft sind der Sender und der Empfänger an der kürzeren Seite eines im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts des Messabschnitts angeordnet. Dadurch verlängert sich der von der Volumenwelle zurückgelegte Weg durch das Fluid, wodurch sich der Messbereich der Fluidmesseinrichtung erweitert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Messrohr im Messabschnitt einen runden Querschnitt auf und im Messabschnitt ist in der Außenoberfläche des Messrohrs eine Abflachung ausgebildet, an der der Sender und der Empfänger angeordnet sind. Die Abflachung kann z. B. durch Fräsen hergestellt werden und ermöglicht gleichzeitig in einfacher Weise das Einbringen von Bereichen mit verringerter Wandstärke (insbesondere erster Wandstärke) in das Messrohr.
Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Messrohr im Messabschnitt einen runden Querschnitt aufweist und der Sender und der Empfänger in ihrer Form der runden Außenoberfläche des Messrohrs angepasst sind. Auch so ergibt sich eine einfach aufgebaute und besonders günstig, etwa durch Drehen, herzustellende Fluidmesseinrichtung.
Vorzugsweise erstrecken sich dabei der Sender und der Empfänger zumindest über einen Teil des Umfangs des Messrohrs, vorzugsweise über den gesamten Umfang bzw. nahezu den gesamten Umfang.
Ebenso kann bei dieser Ausgestaltung zwischen dem Sender und dem Empfänger ein Wandabschnitt vorgesehen sein, der die zweite Wandstärke aufweist und sich nahezu über den gesamten Umfang des Messrohrs erstreckt. Insbesondere ist das Messrohr in diesem Abschnitt mit der zweiten Wandstärke ausgeführt, wobei auch hier vorzugsweise eine durchgehende Nut in der Messrohrwand vorgesehen ist, in der die Messrohrwand die erste Wandstärke aufweist, so dass Sender und Empfänger über die Nut direkt miteinander schallgekoppelt sind.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:

- 1a eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Messrohrs für eine erfindungsgemäße Fluidmesseinrichtung;
- 1b einen Längsschnitt durch eine Fluidmesseinrichtung mit dem Messrohr aus 1a;
- 1c eine perspektivische Schnittansicht des Messrohrs aus 1a;
- 1d eine perspektivische Teilschnittansicht des Messrohrs aus 1a;
- 2a eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Messrohrs für eine erfindungsgemäße Fluidmesseinrichtung;
- 2b einen Längsschnitt durch das Messrohr aus 2a;
- 3a eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Messrohrs für eine erfindungsgemäße Fluidmesseinrichtung; und
- 3b einen perspektivischen Längsschnitt durch das Messrohr aus 3a.

Die 1a bis 1d zeigen eine Fluidmesseinrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese weist ein Messrohr 12 mit einem Fluideingang 14, einem Fluidausgang 16 und einem dazwischen verlaufenden, von einem Fluid F durchströmbaren Fluidkanal 18 auf. Ein mittlerer Abschnitt des Messrohres 12 dient als Messabschnitt 20, in dem ein Bereich einer Messrohrwand 21 als Wellenleiter 22 für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid F bildet. Bei der Ausführungsform der 1a bis 1d weist das Messrohr 12 im Messabschnitt 20 einen rechteckigen Querschnitt auf, wie insbesondere aus 1c ersichtlich ist.
Auf der Außenseite des Messrohres 12, hier an einer der beiden kürzeren Seiten 23 des rechteckigen Querschnitts, sind ein Sender 24 zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter 22 sowie ein Empfänger 26 zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter 22 in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters 22 voneinander beabstandet angeordnet.
Um bestimmte Eigenschaften des Fluids F im Inneren des Fluidkanals 18 zu messen, regt der Sender 24 akustische Oberflächenwellen im Bereich des Wellenleiters 22 direkt unterhalb des Senders 24 an. Diese Oberflächenwellen verlaufen entlang der als Wellenleiter 22 dienenden Messrohrwand unter anderem in Richtung zum Empfänger 26 und werden dort detektiert. Aufgrund der direkten Grenzfläche des Fluids F zum Wellenleiter 22 wird ein Teil der Energie der akustischen Oberflächenwellen an der inneren Oberfläche des Messrohres 12 an der Grenzfläche zum Fluid F ausgekoppelt und verläuft von dort unter einem spezifischen Ausbreitungswinkel Θ (bezogen auf eine Flächennormale des Wellenleiters 22) als Volumenwelle V durch das Fluid (siehe 1b).
Wenn sich das Fluid F im Messrohr 12 nicht bewegt, ergibt sich der Einstrahlwinkel Θ der Volumenwelle V in das Fluid F hinein aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit c_f im Fluid F zur Schallgeschwindigkeit c_w der Oberflächenwelle in der Messrohrwand 21 (bzw. im Wellenleiter 22) zu $Θ= arcsin (c_{f} / c_{w}) .$
Der Winkel Θ ergibt sich also aus der „Materialpaarung“, wobei die Schallgeschwindigkeit c_w in der Messrohrwand 21 höher sein muss als die Schallgeschwindigkeit c_f im Fluid F, damit sich ein von Null verschiedener Wert ergibt, unter dem die Oberflächenwelle in das Fluid F einkoppelt und in diesem als Volumenwelle V eine räumliche Distanz entlang des Wellenleiters 22 zurücklegt. Zu den Oberflächenwellen zählen unter anderem LAMB-Wellen, Rayleigh-Wellen oder Leaky-Rayleigh-Wellen, die hier verwendet werden.
An der gegenüberliegenden Seite des Fluidkanals 18 trifft die Volumenwelle V in einem ersten Reflexionspunkt IP, der um sich herum einen Reflexionsbereich definiert, wieder auf die Messrohrwand 21 und wird reflektiert. Auf diese Weise pflanzt sich die Volumenwelle V durch das Fluid F fort. Immer wenn die Volumenwelle V in einem weiteren Reflexionspunkt IP mit einem Reflexionsbereich auf die Messrohrwand 21 trifft, besteht die Möglichkeit, dass akustische Oberflächenwellen in das Messrohr 12 eingekoppelt werden. Diese laufen dann durch die als Wellenleiter 22 dienende Messrohrwand zum Empfänger 26 und werden dort ebenfalls detektiert. Aus der Laufzeitverzögerung zwischen einem vom Sender 24 ausgesandten Wellenpuls und dem beim Empfänger 26 eingehenden Signal sowie dessen Intensität und Zeitverlauf lassen sich Rückschlüsse auf Eigenschaften des Fluids F wie dessen Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Temperatur und Homogenität ziehen.
Damit die Energieübertragung in das Fluid F gut funktioniert, ist es nötig, dass die Wandstärke des Messrohres 12 in einem definierten Größenbereich liegt. Hierzu weist die Messrohrwand 21 im Bereich des Senders 24 und des Empfängers 26 jeweils einen Wandbereich 28 mit einer ersten Wandstärke T1 auf, die kleiner oder gleich der Wellenlänge λ der akustischen Oberflächenwelle ist, hier vorzugsweise 50 % der Wellenlänge λ der akustischen Oberflächenwelle beträgt. Durch das Vorliegen der ersten Wandstärke T1 in den Bereichen 28 ist die Erzeugung von Oberflächenwellen am Sender 24 und die Rückwandlung von Volumenwellen V in Oberflächenwellen am Empfänger 26 besonders effektiv. Dabei erstreckt sich der Wandbereich 28 nicht nur unmittelbar unter dem Sender 24 bzw. dem Empfänger 26, sondern zusätzlich von der dem Empfänger 26 zugewandten Seite des Senders 24 beginnend sowie von der dem Sender 24 zugewandten Seite des Empfängers 26 beginnend jeweils axial über eine Länge L, die hier 5 bis 10 Wellenlängen λ der akustischen Oberflächenwelle beträgt (siehe 1 d). Dies ermöglicht im Bereich des Senders 24 eine gute Einkopplung der Oberflächenwelle zunächst in die Messrohrwand 21 und dann in das Fluid F. Umgekehrt erleichtert ein dem Empfänger 26 vorgelagerter Bereich mit der ersten Wandstärke T1 die Umwandlung der Volumenwelle V in Oberflächenwellen in der Messrohrwand 21, die vom Empfänger 26 anschließend in elektrische Signale umgesetzt werden.
Dagegen weist die Messrohrwand 21 im Bereich sämtlicher Reflexionspunkte IP der Volumenwelle V eine zweite Wandstärke T2 auf, die sich von der ersten Wandstärke T1 unterscheidet. Im gezeigten Beispiel hat die Volumenwelle V drei Reflexionspunkte IP an der Messrohrwand 21, von denen einer (in 1b oben) auf bzw. in unmittelbarer Nähe einer gedachten Verbindungslinie C, welche eine zur Längsachse des Fluidkanals insbesondere parallel verläuft, zwischen Sender 24 und Empfänger 26 angeordnet ist. Die beiden anderen Reflexionspunkte IP liegen an der gegenüberliegenden (unteren) Wand des Fluidkanals 18.
Die zweite Wandstärke kann um 20 % bis 95 % größer oder kleiner als die erste Wandstärke T1 sein, beim gezeigten Beispiel ist sie um etwa 50 % größer als die erste Wandstärke T1. Im Bereich mit größerer (oder auch kleinerer) Wandstärke T2 können sich die Oberflächenwellen innerhalb der Messrohrwand 21 nicht so gut ausbreiten. Ebenso ist es schwieriger, eine dickere (bzw. dünnere) Messrohrwand 21 durch die Volumenwelle V zur Bildung von Oberflächenwellen anzuregen - die Volumenwellen V koppeln nicht so gut in die Messrohrwand 21 mit der zweiten Wandstärke T2 ein. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass eine bessere Reflexion der Volumenwelle V an den Reflexionspunkten IP auf der Innenseite der Messrohrwand 21 erfolgt, weil dort das Einkoppeln der Schallwellen in die Messrohrwand 21 erschwert, bestenfalls sogar ganz verhindert wird. So lässt sich die Signalstärke am Empfänger 26 verbessern.
Die Anzahl und Lage der Reflexionspunkte IP ist durch die Abmessungen des Fluidkanals 18 und den Winkel Θ gegeben. Da der Winkel Θ abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit im Fluidkanal 18 ist und die Volumenwelle V eine breite Wellenfront besitzt, sind die Bereiche mit der zweiten Wandstärke T2 großzügig bemessen.
So weist beim gezeigten Beispiel nahezu das gesamte Messrohr 12 im Messabschnitt 20 mit Ausnahme der als Ein- und Auskoppelbereiche dienenden Wandbereiche 28 die zweite Wandstärke T2 auf.
Insbesondere ist zwischen den beiden Wandbereichen 28 mit der ersten Wandstärke T1 ein in Axialrichtung A des Messrohres 12 länglicher Zwischenbereich 30 vorgesehen, der die Wandbereiche 28 des Senders 24 und Empfängers 26 mit der ersten Wandstärke T1 in Axialrichtung A verbindet, wobei der Zwischenbereich 30 in jedem Radialschnitt für sich gesehen in Axialrichtung A eine konstante Wandstärke (meist die zweite Wandstärke T2) aufweist.
Zudem erstrecken sich im Zwischenbereich 30 im Bereich mit der zweiten Wandstärke T2 zwei durchgehende, zweiseitig offene Nuten 32 in der Messrohrwand 21, in denen die Messrohrwand 21 die erste Wandstärke T1 hat. Auf diese Weise sind Sender 24 und Empfänger 26 über die Nuten 32 direkt miteinander schallgekoppelt, was die Ausbreitung der Oberflächenwellen vom Sender 24 zum Empfänger 26 außerhalb des Fluids F erleichtert. Im Zwischenbereich 30 außerhalb der Nuten 32 ist die Wandstärke konstant und entspricht insbesondere der zweiten Wandstärke T2.
Beim gezeigten Beispiel mit im Querschnitt rechteckigem Fluidkanal 18 befinden sich die Nuten 32 also (bei Betrachtung in Axialrichtung A) seitlich außerhalb eines „erhabenen“ Bereichs mit der zweiten Wandstärke T2 in den Ecken (bzw. Längskanten) des Messrohres 12 (siehe 1c). Die Nuten 32 sind bei diesem Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass sich darunter kein Fluidkanal 18 befindet. Bei dieser Ausgestaltung wird die geringere erste Wandstärke T1 im Bereich der Nuten 32 dadurch erzielt, dass längliche Ausnehmungen 34 unterhalb der Nuten 32 in die Seiten 36 des Messrohres 12 eingebracht sind. Es ergeben sich also zwischen Sender 24 und Empfänger 26 zwei durchgehende Bereiche der Messrohrwand 21, die die erste Wandstärke T1 aufweisen und keine Grenzfläche zum Fluid F haben, da sie, bezogen auf eine Breite B des Fluidkanals 18, seitlich außerhalb des Fluidkanals 18 angeordnet sind.
Zwischen den Bereichen mit unterschiedlichen Wandstärken T1 und T2 sind in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen Übergangsbereiche 38 angeordnet, so dass zumindest in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen (die hier der Axialrichtung A entspricht) die Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken T1 und T2 stetig und absatzfrei ineinander übergehen. Dies vermindert bzw. verhindert unerwünschte Reflexionen der Oberflächenwellen an beispielsweise Kanten oder Q uerschn ittssprüngen.
Der Sender 24 und der Empfänger 26 sind bevorzugt als Piezowandler, insbesondere als Interdigitalwandler, ausgebildet, wobei die Oberflächenwellen in der Messrohrwand 21 durch das Anlegen einer Wechselspannung generiert werden. Sowohl auf dem Sender 24 als auch dem Empfänger 26 kann ein Dämpfungsmaterial (nicht gezeigt) angebracht sein, um die Wellenausbreitung exakt festzulegen. Beide Piezowandler sind gleich aufgebaut und können als Sender oder als Empfänger genutzt werden. Wechseln sich Sender 24 und Empfänger 26 ab, kann z. B. aus der Laufzeitdifferenz der Volumenwellen V auf den Fluiddurchsatz geschlossen werden.
Außerdem ist es möglich, am Messrohr 12 mehr als zwei Piezowandler vorzusehen, wobei dann zwei Piezowandler auf einem gemeinsamen Wandbereich mit der ersten Wandstärke T1 angeordnet sind.
In der Fluidmesseinrichtung 10 ist vorteilhaft eine Auswerteelektronik (nicht gezeigt) zur Ansteuerung des bzw. der Sender 24 und für die Auswertung der gemessenen Signale des bzw. der Empfänger 26 verbaut. Ein optional implementierter Temperatursensor (nicht gezeigt) auf dem Messrohr 12 eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. Dichtebestimmung des Fluides F.
Durch Vorsehen eines Gehäuses 40 lässt sich eine äußerst robuste und gegen Umwelteinflüsse unempfindliche Fluidmesseinrichtung 10 herstellen.
Um ein einfaches Verbinden des Messrohrs 12 mit externen (meist runden) Rohren zu ermöglichen, weisen der Fluideingang 14 und der Fluidausgang 16 jeweils einen kreisrunden Strömungsquerschnitt auf, während der Fluidkanal 18 hier einen rechteckigen Strömungsquerschnitt hat. Zwischen den runden Querschnitten des Fluideingangs 14 bzw. des Fluidausgang 16 und dem eckigen Querschnitt des Fluidkanals 18 ist ein Konfusor 42 bzw. ein Diffusor 44 angeordnet, um die Strömung möglichst verlustfrei durch das Messrohr 12 zu leiten. Konfusor 42 und Diffusor 44 sind vorzugsweise entgegengesetzt, aber ansonsten gleich gestaltet. Da hauptsächlich Diffusoren mit starken Strömungsverlusten behaftet sind, sind vorzugsweise zumindest dort die Kanten abgerundet und der Öffnungswinkel des Diffusors 44 beträgt maximal 20°, vorzugsweise ist er kleiner als 10°.
Eine übliche Methode zur Vergleichmäßigung eines Strömungsprofils besteht darin, die Strömung zu beschleunigen. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Strömung vom runden Fluideingang 14 über den Konfusor 42 in den rechteckigen Fluidkanal 18 beschleunigt. Somit hat die Strömung auf der Strecke vom Sender 24 bis zum Empfänger 26 eine höhere Geschwindigkeit als im Fluideingang 14. Da zusätzlich Sender 24 und Empfänger 26 an der kürzeren Seite des rechteckigen Querschnittes des Messabschnitts 20 angebracht sind, ergibt sich eine besonders günstige Konstellation. Die Geschwindigkeit ist höher und der zurückgelegte Weg der Volumenwelle V durch das Fluid F wird länger. Beides zusammen ergibt einen nach unten deutlich erweiterten Messbereich der Fluidmesseinrichtung 10.
Sender 24 und Empfänger 26 erstrecken sich zudem über die komplette Breite B des Fluidkanals 18 bzw. sogar darüber hinaus (siehe 1c). Dies ermöglicht es, das Fluid F in der kompletten Kanalbreite B zu durchschallen. Somit ist die Fluidmesseinrichtung 10 besonders unempfindlich gegenüber einer über den Strömungsquerschnitt im Fluidkanal 18 ungleichmäßig verteilten Strömung.
Insgesamt lassen sich durch die Verwendung unterschiedlicher Wandstärken T1 und T2 am Sender 24, am Empfänger 26 und an den Reflexionspunkten IP sowie durch die Wahl des Kanalquerschnittes mit dem Fluidmessgerät 10 auch geringe Fluiddurchsätze mittels Schallwellen gut messen, da es eine lange Wegstrecke der Volumenwelle V durch das Fluid F ermöglicht.
Die 2a und 2b zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung 10, wobei im Folgenden gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und nur auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen ersten Ausführungsform eingegangen wird.
Bei der Fluidmesseinrichtung 10 der 2a und 2b weist das Messrohr 12 im Messabschnitt 20 einen runden Querschnitt auf. Zudem ist im Messabschnitt 20 in der Außenoberfläche des Messrohrs 12 eine z. B. durch Fräsen hergestellte Abflachung 46 ausgebildet, an der der Sender 24 und der Empfänger 26 angeordnet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich aufgrund der Abflachung 46 und der kreiszylindrischen Innenseite des Messrohres 12 keine konstante Wandstärke T1. Vielmehr geht die Wandstärke T1 im Bereich der Abflachung 46 allmählich in die Wandstärke T2 des restlichen Messrohres 12 über. Die durchgehenden Nuten 32 sind im Randbereich der Abflachung 46 angeordnet.
In den 3a und 3b schließlich ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung 10 gezeigt, wobei auch hier nur auf die Unterschiede zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen eingegangen wird.
Auch bei der Fluidmesseinrichtung 10 der 3a und 3b hat das Messrohr 12 im Messabschnitt 20 einen runden Querschnitt, allerdings keine Abflachung. Bei dieser Ausführung lässt sich das Messrohr 12 besonders günstig hauptsächlich durch Drehen herstellen.
Der Sender 24 und der Empfänger 26 sind nicht eben ausgeführt, sondern sind in ihrer Form der runden Außenoberfläche des Messrohrs 12 angepasst.
Sowohl der Sender 24 als auch der Empfänger 26 erstrecken sich zumindest über einen Teil des Umfangs U des Messrohrs 12, vorzugsweise über den gesamten Umfang U bzw. nahezu den gesamten Umfang U.
Zwischen dem Sender 24 und dem Empfänger 26 ist das Messrohr 12 mit der zweiten Wandstärke T2 ausgeführt, wobei auch hier eine durchgehende Nut 32 in der Messrohrwand 21 vorgesehen ist, in der die Messrohrwand 21 die erste Wandstärke T1 aufweist, so dass Sender 24 und Empfänger 26 über die Nut direkt miteinander schallgekoppelt sind.
Ein Konfusor 42 und ein Diffusor 44 sind nicht gezeigt, können aber auch bei dieser Ausführung vorteilhaft Verwendung finden.
Es können bekannte Dämpfungselemente am Sender 24 und/oder der Messrohrwand vorhanden sein, die für eine gerichtete Abgabe der Wellen durch den Sender bzw. eine gerichtete Wellenfront sorgen, so dass die Reflexionspunkte und Reflexionsbereiche sehr genau festgelegt sind.
Die Fluidmesseinrichtung 10 ist insbesondere für flüssige, aber auch für hochviskose, teigartige, gelartige oder pastöse Medien homogener oder inhomogener Art, einschließlich biologischer Proben, geeignet. Auch die Verwendung für gasförmige Medien wäre denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014106706 A1 [0004]

Claims

Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids (F), mit einem Messrohr (12) mit einem von dem Fluid (F) durchströmbaren Fluidkanal (18), das einen Messabschnitt (20) aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand (21) als Wellenleiter (22) für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid (F) bildet, und wenigstens einem Sender (24) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter (22) sowie wenigstens einem Empfänger (26) zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter (22), die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters (22) angeordnet sind, wobei durch den Sender (24) angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausbreiten können und die Volumenwelle (V) wenigstens einen Reflexionspunkt (IP) an der Messrohrwand (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrohrwand (21) im Bereich des Senders (24) und im Bereich des Empfängers (26) eine erste Wandstärke (T1) aufweist und im Bereich sämtlicher Reflexionspunkte (IP) der Volumenwelle (V) eine zweite Wandstärke (T2) aufweist, die sich von der ersten Wandstärke (T1) unterscheidet.
Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids (F), mit einem Messrohr (12) mit einem von dem Fluid (F) durchströmbaren Fluidkanal (18), das einen Messabschnitt (20) aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand (21) als Wellenleiter (22) für akustische Oberflächenwellen ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid (F) bildet, und wenigstens einem Sender (24) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter (22) sowie wenigstens einem Empfänger (26) zum Empfangen von akustischen Wellen vom Wellenleiter (22), die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters (22) angeordnet sind, wobei durch den Sender (24) angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausbreiten können und die Volumenwelle (V wenigstens einmal an der Messrohrwand in einem Reflexionsbereich zwischen Sender und Empfänger reflektieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrohrwand (21) im Bereich des Senders (24) und im Bereich des Empfängers (26) eine erste Wandstärke (T1) aufweist und im Reflexionsbereich auf einer gedachten, in der Rohrwand verlaufenden Parallelen zur Längsachse des Messrohrs, die durch den Einkoppelbereich des Senders verläuft, eine zweite Wandstärke (T2) aufweist, die sich von der ersten Wandstärke (T1) unterscheidet.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Reflexionspunkt, in dessen Bereich die Messrohrwand die zweite Wandstärke aufweist, entlang der Längsachse des Messrohrs gesehen zwischen Sender und Empfänger liegt.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandstärke (T1) der Messrohrwand (21) kleiner oder gleich der Wellenlänge (λ) der akustischen Oberflächenwelle ist, insbesondere 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 %, der Wellenlänge (λ) der akustischen Oberflächenwelle beträgt.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandstärke (T2) um 20 % bis 95 %, insbesondere um 50 %, größer oder kleiner als die erste Wandstärke (T1) ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandstärke (T2) größer als die erste Wandstärke (T1) ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sender (24) und dem Empfänger (26) ein in Axialrichtung (A) des Messrohres (12) länglicher Zwischenbereich (30) vorgesehen ist, der die Bereiche des Senders (24) und Empfängers (26) mit der ersten Wandstärke (T1) in Axialrichtung (A) verbindet, wobei der Zwischenbereich (30) in jedem Radialschnitt für sich gesehen in Axialrichtung (A) eine konstante Wandstärke aufweist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenwelle (V) mehrere Reflexionspunkte (IP) an der Messrohrwand (21) aufweist, wobei die Messrohrwand (21) im Bereich jedes Reflexionspunkts (IP) die zweite Wandstärke (T2) aufweist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenwelle (V) in Bereichen der Messrohrwand (21), die die zweite Wandstärke (T2) aufweisen, wenigstens 1 bis 6 Reflexionspunkte (IP) an der Messrohrwand (21), insbesondere 3 Reflexionspunkte (IP), hat.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Senders (24) und im Bereich des Empfängers (26) jeweils ein Wandbereich (28) mit der ersten Wandstärke (T1) vorgesehen ist, der sich von der dem Empfänger (26) zugewandten Seite des Senders (24) beginnend sowie von der dem Sender (24) zugewandten Seite des Empfängers (26) beginnend jeweils axial über eine Länge (L) von 1 bis 20 Wellenlängen (λ), insbesondere 5 bis 10 Wellenlängen (λ), erstreckt.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen die Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken (T1, T2) stetig und absatzfrei ineinander übergehen.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Zwischenbereich (30) zwischen dem Bereich des Senders (24) und des Empfängers (26) im Bereich mit der zweiten Wandstärke (T2) eine durchgehende Nut (32) in der Messrohrwand (21) erstreckt, in der die Messrohrwand (21) vorzugsweise die erste Wandstärke (T1) aufweist, so dass Sender (24) und Empfänger (26) über die Nut (32) direkt miteinander schallgekoppelt sind, insbesondere wobei die Wandstärke im Zwischenbereich (30) außerhalb der Nut (32) konstant ist.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich Oberflächenwellen außerhalb des Fluids (F) direkt über die durchgehende Nut (32) vom Sender (24) zum Empfänger (26) ausbreiten.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Messrohr (12) mehrere Sender (24) und/oder Empfänger (26) vorgesehen sind, wobei ein Sender (24) und ein Empfänger (26) auf einem gemeinsamen Wandbereich mit der ersten Wandstärke (T1) angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sender (24) und der Empfänger (26) über mindestens 90 % der Breite (B) des Fluidkanals (18) erstrecken.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) im Messabschnitt (20) einen im Wesentlichen eckigen Querschnitt aufweist.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (24) und der Empfänger (26) an der kürzeren Seite (23) eines im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts des Messabschnitts (20) angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) im Messabschnitt (20) einen runden Querschnitt aufweist und im Messabschnitt (20) in der Außenoberfläche des Messrohrs (12) eine Abflachung (46) ausgebildet ist, an der der Sender (24) und der Empfänger (26) angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) im Messabschnitt (20) einen runden Querschnitt aufweist und der Sender (24) und der Empfänger (26) in ihrer Form der runden Außenoberfläche des Messrohrs (12) angepasst sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (24) und der Empfänger (26) sich zumindest über einen Teil des Umfangs (U) des Messrohrs (12) erstrecken, vorzugsweise über den gesamten Umfang (U) bzw. nahezu den gesamten Umfang (U).