DE102020111122B4

DE102020111122B4 - Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102020111122B4
Application number: DE102020111122.3A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Andreas Berger; Sascha Grunwald
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: DE102020111122A1

Abstract

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zum Messen eines Volumendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines durch eine Rohrleitung (100) strömenden Mediums umfassend:Zumindest eine Ultraschallwandleranordnung (10) mit mehreren Ultraschallwandlern (11),wobei die Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale in die Rohrleitung einzustrahlen sowie aus der Rohrleitung kommende Ultraschallsignale zu erfassen;zumindest ein Gehäuse (20) mit mindestens einer Gehäusekammer (21) und einer Gehäusewandung (22), wobei jeweils eine Ultraschallwandleranordnung in der Gehäusekammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Gehäusewandung zumindest eine Öffnung (22.1) aufweist, über welche die Ultraschallwandler mit der Rohrleitung kontaktierbar sind;eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler und zum Ausgeben von Durchflussmesswerten,dadurch gekennzeichnet, dass das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Folie (40) aufweist, welche die Öffnung des Gehäuses überspannt und dazu eingerichtet ist, in Kontaktbereichen (K) jeweils einen Kontakt zwischen Ultraschallwandler und einer Wandung der Rohrleitung zu vermitteln,wobei die Ultraschallwandler (11) der Ultraschallwandleranordnung (10) vorbestimmte Abstände zueinander aufweisen,wobei die Folie (40) innerhalb der Kontaktbereiche um einen Faktor F dicker ist als zwischen den Kontaktbereichen,wobei F mindestens 1.5 und insbesondere mindestens 2, und bevorzugt mindestens 2. 5 und/oder höchstens 10, und insbesondere höchstens 8 und bevorzugt höchstens 5 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät Durchflussmessgerät zum Messen eines Volumendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums mit einer in einem Gehäuse angeordneten Ultraschallwandleranordnung, wie beispielsweise in der DE102007019689A1 gezeigt. Das dort gezeigte Gehäuse weist dabei zwei Membranen auf, welche dazu eingerichtet sind, einen akustischen Kontakt zwischen einer Rohrleitung und den Ultraschallwandlern herzustellen.
Die US4454767A zeigt einen Ultraschall-Durchflussmesser mit zwei Ultraschallwandlern mit jeweils einem Wandlerelement, wobei die Ultraschallwandler mittels einer Haltevorrichtung an einem Messrohr gehalten sind.
Die CH700433B1 zeigt eine Durchfluss-Messeinrichtung mit einem Ultraschall-Messgerät, welches lösbar befestigt auf ein Messrohr aufgesetzt ist.
Die DE102017006173A1 zeigt eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße, wobei eine Tragstruktur dazu eingerichtet ist, Ultraschallwandler mit einem Messrohr zu koppeln.
Es hat sich als umständlich erwiesen, das Gehäuse sowie die Membranen zu reinigen und einen guten akustischen Kontakt zu einer Rohrleitung herzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzuschlagen, welches besser zu reinigen und zu warten ist und bei welchem eine bessere akustische Kopplung mit einer Rohrleitung leichter einrichtbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät zum Messen eines Volumendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfasst zumindest eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Ultraschallwandlern, wobei die Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale in die Rohrleitung einzustrahlen sowie aus der Rohrleitung kommende Ultraschallsignale zu erfassen;
zumindest ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer und einer Gehäusewandung, wobei jeweils eine Ultraschallwandleranordnung in der Gehäusekammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Gehäusewandung zumindest eine Öffnung aufweist, über welche die Ultraschallwandler mit der Rohrleitung kontaktierbar sind;
eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler und zum Ausgeben von Durchflussmesswerten,
wobei das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Folie aufweist, welche die Öffnung des Gehäuses überspannt und dazu eingerichtet ist, in Kontaktbereichen jeweils einen Kontakt zwischen Ultraschallwandler und einer Wandung der Rohrleitung zu vermitteln,
wobei die Ultraschallwandler der Anordnung vorbestimmte Abstände zueinander aufweisen,
wobei die Folie innerhalb der Kontaktbereiche um einen Faktor F dicker ist als in den Kontaktbereichen,
wobei F mindestens 1.5 und insbesondere mindestens 2, und bevorzugt mindestens 2. 5 und/oder höchstens 10, und insbesondere höchstens 8 und bevorzugt höchstens 5 ist.
Auf diese Weise ist die Folie im Bereich der Öffnung flexibler an eine Rohrleitungsoberfläche anpassbar und somit eine akustische Ankopplung des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts an die Rohrleitung verbessert.
Auf diese Weise kann eine Reinigung einfach durchgeführt werden, da nur eine Außenseite der Folie gereinigt werden muss. Nach Reinigung kann gegebenenfalls eine Koppelschmiere / Koppelpaste / Koppelfett / Koppelgel auf die Außenseite aufgetragen werden, welche einen akustischen Übergang zwischen Rohrleitung und Folie verbessert. Außerdem wird über eine flexible Folie eine Anpassung des Ultraschallmessgeräts an eine Rohrleitungsoberfläche ermöglicht, und somit eine akustische Ankopplung des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts an die Rohrleitung verbessert.
In einer Ausgestaltung weist ein durch den Ultraschallwandler erzeugbares Ultraschallsignal bei einer Zentralfrequenz in der Folie eine Wellenlänge auf, wobei die Folie im Bereich der Öffnung eine Wandstärke von höchstens 1.5 Wellenlängen und insbesondere höchstens 0.5 Wellenlängen und bevorzugt höchstens 0.2 Wellenlängen aufweist.
Auf diese Weise können sich Lamb-Wellen in der Folie ausbilden oder die Ultraschallsignale durchlaufen die Folie ohne nennenswerte Wechselwirkung.
In einer Ausgestaltung weist die Folie im Bereich der Öffnung eine Wandstärke von höchstens 5 Millimetern und insbesondere höchstens 2 Millimetern und bevorzugt höchstens 0.5 Millimetern auf.
Auf diese Weise können sich Lamb-Wellen in der Folie ausbilden oder die Ultraschallsignale durchlaufen die Folie ohne nennenswerte Wechselwirkung.
Ultraschallwandler weisen jeweils zumindest ein Wandlerelement auf, welches dazu eingerichtet ist, zwischen einer elektrischen Spannung und einem Ultraschallsignal zu wandeln. Beispielsweise werden dafür piezoelektrische Materialien eingesetzt. Typischerweise werden diese Wandlerelemente im Bereich einer Frequenz einer Grundmode des Wandlerelements betrieben, da eine Wandlereffizienz in diesem Bereich maximal ist. Bei Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenmessgeräten, wie beispielsweise das vorliegende Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät, werden pulsförmige Ultraschallsignale mit einer Zentralfrequenz abgestrahlt. Es ist vorteilhaft, akustische Randbedingungen der Folie auf diese Zentralfrequenz abzustimmen.
In einer Ausgestaltung ist zwischen Folie und Ultraschallwandler eine akustische Anpassungsvorrichtung vorgesehen.
Eine akustische Anpassungsvorrichtung kann eine akustische Kopplung zwischen Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät und der Rohrleitung weiter verbessern.
In einer Ausgestaltung weist die Folie im Bereich einer Befestigung am Gehäuse eine Dicke von höchstens 1.5 mm auf.
Auf diese Weise kann die Folie auf eine einfache Art und Weise gehandhabt werden.
In einer Ausgestaltung sind die Ultraschallwandler der Anordnung einzeln gelagert.
Auf diese Weise das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät besser an eine Rohrleitungsoberfläche anpassbar und somit ist eine akustische Ankopplung des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts an die Rohrleitung verbessert.
In einer Ausgestaltung sind die Ultraschallwandler insbesondere jeweilig mittels einer Federung zwecks Erzeugung eines Anpressdrucks gegen die Rohrleitung anpressbar.
Durch eine Federung kann ein zur Anwendung passender Anpressdruck sichergestellt werden.
In einer Ausgestaltung weist das Gehäuse zumindest einen Anschlag für die Ultraschallwandler zur Begrenzung eines Bewegungsspielraums der Ultraschallwandler in Richtung der Öffnung auf.
Somit wird verhindert, dass Teile der Ultraschallwandler aus der Öffnung herausragen und somit beschädigungsgefährdet sind.
In einer Ausgestaltung ist die elektronische Mess-/Betriebsschaltung im Gehäuse untergebracht.
Dadurch ist das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät sehr kompakt und kann einfach transportiert und installiert werden.
In einer Ausgestaltung ist die Folie aus Metall wie einem rostfreien Edelstahl wie 316L oder 1.4404, oder aus einem Kunststoff gefertigt ist.
In einer Ausgestaltung ist das Clamp-On-Durchflussmessgerät mittels einer Haltevorrichtung an der Rohrleitung befestigbar.
In einer Ausgestaltung ist die Folie aus verschiedenen Materialien gefertigt, wobei bei Kontaktbereich aus einem ersten Material, und außerhalb der Kontaktbereiche aus einem zweiten Material gefertigt ist, wobei das zweite Material weicher ist als das erste Material.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 zeigt eine schematische Frontansicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts;
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des beispielhaften erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts;
3 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät;
4 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät.

1 zeigt ein auf einer Rohrleitung 100 befindliches erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 mit einem Gehäuse 20 mit einer Gehäusekammer 21 und einer durch die Gehäusekammer ausgebildeten Gehäusekammer, in welcher eine Ultraschallwandleranordnung 10 (2) mit mehreren Ultraschallwandlern 11 sowie eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 30 untergebracht ist. Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung 30 ist zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler und zum Ausgeben von Durchflussmesswerten eingerichtet. Das Gehäuse weist zumindest eine Öffnung 22.1 (siehe 3) auf, über welche die Ultraschallwandler mit der Rohrleitung kontaktierbar sind. Erfindungsgemäß ist eine Folie 40 vorgesehen, welche die Öffnung dicht verschließt und dazu eingerichtet ist, einen akustischen Kontakt zwischen Ultraschallwandler und Rohrleitung herzustellen. Ein durch den Ultraschallwandler erzeugbares Ultraschallsignal weist dabei bei einer Zentralfrequenz in der Folie 40 eine Wellenlänge auf, wobei die Folie im Bereich der Öffnung eine Wandstärke von höchstens der Wellenlänge und insbesondere höchstens der halben Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise kann ein störender Einfluss der Folie auf eine Ultraschallsignalausbreitung vermieden werden.
Die Folie ist dabei aus einem Metall wie einem rostfreien Edelstahl wie 316L oder 1.4404, oder aus einem Kunststoff gefertigt. Ein solches erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät ist wesentlich besser zu reinigen und zu warten, und es ist eine bessere akustische Kopplung mit der Rohrleitung ist zu erwarten, da die Folie in der Lage ist, sich an die Außenseite der Rohrleitung bzw. an eine Rohrleitungsform anzupassen. Beispielsweise störende Luftspalte sind dadurch sehr gut vermeidbar. Beispielsweise weist die Folie 40 im Bereich einer Befestigung am Gehäuse eine Wandstärke von höchstens 1.5 mm auf, dadurch ist sie beim Lösen vom oder Befestigen am Gehäuse einfach handhabbar. In Kontaktbereichen K kann die Folie auch eine größere Wandstärke / Dicke aufweisen.
Das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät kann wie hier gezeigt zwischen Ultraschallwandler und Folie eine akustische Anpassungsvorrichtung aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignalreflektionen zwischen Grenzflächen zu verringern. Die Anpassungsvorrichtung kann Materialien wie Metall, Glas oder Kunststoff aufweisen, das eingesetzte Material muss dabei eine akustische Impedanz aufweisen, welche zwischen einer akustischen Impedanz der Folie und einer akustischen Impedanz eines Ultraschallübertragers 11.2 (siehe 3) angesiedelt ist.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts, wobei in der Gehäusekammer eine Ultraschallwandleranordnung 10 mit mehreren Ultraschallwandlern 11 angeordnet ist. Die Anzahl der Ultraschallwandler einer Ultraschallwandleranordnung ist nicht auf die hier gezeigten 5 Ultraschallwandler beschränkt. Die Darstellung ist beispielhaft und nicht beschränkend auszulegen.
3 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts Q (siehe 2) durch das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät, wobei der Ultraschallwandler 11 ein Wandlerelement 11.1 sowie einen Ultraschallübertrager 11.2 aufweist und in eine Öffnung 22.1 des Gehäuses hineinragt und dort über die akustische Anpassungsvorrichtung 50 akustisch mit der Folie 40 kontaktiert ist. Alternativ kann der Ultraschallwandler bei Fehlen der Anpassungsvorrichtung auch direkt mit der Folie kontaktiert sein. Der Ultraschallwandler kann auch vollständig durch die Öffnung hindurchragen oder auch gar nicht in die Öffnung hineinragen. Die Darstellung ist beispielhaft auszulegen. Der Ultraschallübertrager ist dazu eingerichtet, Ultraschallsignale zwischen Wandlerelement und Folie zu übertragen. Die Ultraschallwandler können dabei wie hier dargestellt durch einen Anschlag 24 in ihrer Bewegungsfreiheit in Richtung Öffnung eingeschränkt sein. Bei Anlegen des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts können die Ultraschallwandler durch von der Rohrleitung ausgehende mechanische Kräfte vom Anschlag 24 wegbewegt und beispielsweise durch eine im Gehäuse befindliche Federvorrichtung (nicht gezeigt, da Stand der Technik) gegen die Rohrleitung gedrückt werden.
4 zeigt einen Ausschnitt durch einen Längsschnitt L (siehe 3) mit zwei Ultraschallwandlern. Erfindungsgemäß weist die Folie 40 in Kontaktbereichen K eine größere Wandstärke auf / ist dicker ausgestaltet als außerhalb von / zwischen Kontaktbereichen. Auf diese Weise weist die Folie eine bessere Flexibilität auf, so dass das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät sich an eine Außenfläche der Rohrleitung anpassen kann.
Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind im Hinblick auf Maßstäbe von einzelnen Elementen beispielhaft und nicht einschränkend auszulegen.
Bezugszeichenliste

1: Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
10: Ultraschallwandleranordnung
11: Ultraschallwandler
11.1: Wandlerelement
11.2: Ultraschallübertrager
20: Gehäuse
21: Gehäusekammer
22: Gehäusewandung
22.1: Öffnung
23: Lagerung
24: Anschlag
30: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
40: Folie
50: akustische Anpassungsvorrichtung
100: Rohrleitung
K: Kontaktbereich
L: Längsschnitt
Q: Querschnitt

Claims

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zum Messen eines Volumendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines durch eine Rohrleitung (100) strömenden Mediums umfassend: Zumindest eine Ultraschallwandleranordnung (10) mit mehreren Ultraschallwandlern (11), wobei die Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale in die Rohrleitung einzustrahlen sowie aus der Rohrleitung kommende Ultraschallsignale zu erfassen; zumindest ein Gehäuse (20) mit mindestens einer Gehäusekammer (21) und einer Gehäusewandung (22), wobei jeweils eine Ultraschallwandleranordnung in der Gehäusekammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Gehäusewandung zumindest eine Öffnung (22.1) aufweist, über welche die Ultraschallwandler mit der Rohrleitung kontaktierbar sind; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler und zum Ausgeben von Durchflussmesswerten, dadurch gekennzeichnet, dass das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Folie (40) aufweist, welche die Öffnung des Gehäuses überspannt und dazu eingerichtet ist, in Kontaktbereichen (K) jeweils einen Kontakt zwischen Ultraschallwandler und einer Wandung der Rohrleitung zu vermitteln, wobei die Ultraschallwandler (11) der Ultraschallwandleranordnung (10) vorbestimmte Abstände zueinander aufweisen, wobei die Folie (40) innerhalb der Kontaktbereiche um einen Faktor F dicker ist als zwischen den Kontaktbereichen, wobei F mindestens 1.5 und insbesondere mindestens 2, und bevorzugt mindestens 2. 5 und/oder höchstens 10, und insbesondere höchstens 8 und bevorzugt höchstens 5 ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei ein durch den Ultraschallwandler (11) erzeugbares Ultraschallsignal bei einer Zentralfrequenz in der Folie (40) eine Wellenlänge aufweist, wobei die Folie im Bereich der Öffnung (22.1) eine Wandstärke von höchstens 1.5 Wellenlängen und insbesondere höchstens 0.5 Wellenlängen aufweist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folie (40) im Bereich der Öffnung (22.1) eine Wandstärke von höchstens 5 Millimetern und insbesondere höchstens 2 Millimetern und bevorzugt höchstens 0.5 Millimetern aufweist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwischen Folie (40) und Ultraschallwandler (11) eine akustische Anpassungsvorrichtung (50) vorgesehen ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Folie (40) im Bereich einer Befestigung am Gehäuse (20) eine Wandstärke von höchstens 1.5 mm aufweist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (11) der Ultraschallwandleranordnung über eine Lagerung (23) einzeln gelagert sind.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (11) insbesondere jeweilig mittels einer Federvorrichtung zwecks Erzeugung eines Anpressdrucks gegen die Rohrleitung anpressbar sind.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (20) zumindest einen Anschlag (24) für die Ultraschallwandler (11) zur Begrenzung eines Bewegungsspielraums der Ultraschallwandler in Richtung der Öffnung (22.1) aufweist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30) in einer Gehäusekammer (21) des Gehäuses (20) untergebracht ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Folie (40) aus einem Metall wie einem rostfreien Edelstahl wie 316L oder 1 .4404, oder aus einem Kunststoff gefertigt ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Clamp-On-Durchflussmessgerät (1) mittels einer Haltevorrichtung an der Rohrleitung befestigbar ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Folie aus verschiedenen Materialien gefertigt ist, wobei die Folie (40) innerhalb der Kontaktbereiche (K) aus einem ersten Material, und außerhalb der Kontaktbereiche aus einem zweiten Material gefertigt ist, wobei das zweite Material weicher ist als das erste Material.