DE102020126021A1

DE102020126021A1 - Fluidmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102020126021A1
Application number: DE102020126021.0A
Authority: DE
Inventors: Yannick Fuchs; Yves Hoog; Bertrand Koenig
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US11635316B2; FR3101705B1; US20210102825A1; FR3101705A1; CN112629604A

Abstract

Eine Fluidmesseinrichtung hat einen Durchflusskanal (16) für ein zu messendes Fluid mit wenigstens zwei Bereichen einer Außenwand (22), die Wellenleiterabschnitte (24) für akustische Oberflächenwellen bilden. Die Wellenleiterabschnitte (24) sind entlang des Umfangs (U) des Durchflusskanals (16) gegeneinander versetzt und beabstandet angeordnet. An jedem Wellenleiterabschnitt (24) ist ein erster und/oder ein zweiter Signalumformer (26, 28) angeordnet, wobei zumindest zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten (24) angeordnete erste Signalumformer (26) oder zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten (24) angeordnete zweite Signalumformer (28) in Axialrichtung (A) des Durchflusskanals (16) gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidmesseinrichtung.
In vielen Anlagen ist es erforderlich, eine Durchflussmenge eines Fluids zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird eine Fluidmesseinrichtung in eine der Fluidleitungen der Anlage eingesetzt, also eine Vorrichtung, mittels derer ein Durchfluss eines durch ein Messrohr strömenden Fluids gemessen werden kann.
Die verwendete Fluidmesseinrichtung sollte möglichst kompakt und robust ausgelegt sein, also wenig Bauraum benötigen und weitgehend wartungsfrei sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Fluidmesseinrichtung möglichst universell einsetzbar ist. Insbesondere sollte sie für unterschiedliche Fluide verwendbar sein oder auch, um unterschiedliche Eigenschaften zu bestimmen.
Natürlich ist eine möglichst hohe Messgenauigkeit auch bei einer ungleichmäßigen Strömung im Messrohr gewünscht, wie sie beispielsweise auftreten kann, wenn die Fluidströmung den Querschnitt des Messrohrs nicht vollständig ausfüllt.
Eine Messmethode, die sich für eine derartige Aufgabenstellung eignet, ist die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen, die in einem akustischen Wellenleiter angeregt und zum Teil in das Fluid ausgekoppelt und aus diesem zum Teil wieder in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, wo sie als akustische Oberflächenwellen weiterlaufen. Die Art und Frequenz der Oberflächenwellen ist so gewählt, dass eine teilweise Auskopplung als longitudinale Volumenschallwellen in das Fluid erfolgt. Dabei durchlaufen die in das Fluid ausgekoppelten Wellen das Fluid und werden in der Regel auf ihrem Messpfad ein- oder mehrfach an einer Innenseite des Messrohrs reflektiert, bevor sie wieder in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Das Fluid ist für dieses Messverfahren in direktem Kontakt mit dem Wellenleiter. Auf diese Weise erhält man an einem akustischen Empfänger, der vom Sender beabstandet an einem 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 beispielsweise Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Homogenität, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Durchflussvolumen, Dichte, Zusammensetzung einer Mehr-Phasenströmung, Konzentration oder Viskosität zulässt.
Dieses Messverfahren ist insbesondere für flüssige, aber auch für hochviskose, teigartige, gelartige oder pastöse Fluide homogener oder inhomogener Art, einschließlich biologischer Proben, geeignet. Auch die Verwendung für gasförmige Fluide wäre denkbar, wobei in diesem Fall die von Flüssigkeiten deutlich verschiedenen Schallgeschwindigkeiten zu berücksichtigen wären. Wenn das Fluid durch die Messeinrichtung hindurchströmt, lassen sich auch zeitliche Veränderungen des Fluids detektieren.
Die räumliche Ausbreitung der Volumenschallwellen im Fluid wird z.B. dadurch erreicht, dass die Volumenschallwellen unter einem Winkel δ bezogen auf eine Flächennormale des Wellenleiters in das Fluid ausgekoppelt werden. Der Zusammenhang lässt sich für ein stehendes Fluid durch folgende Formel beschreiben: $δ = arcsin (\frac{C_{M}}{C_{S}}),$
wobei C_M die Schallgeschwindigkeit der Volumenschallwellen innerhalb des Fluids und es die Schallgeschwindigkeit der sich entlang des Wellenleiters ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen ist.
In dem am häufigsten vorliegenden Fall, in dem die Schallgeschwindigkeit im Fluid geringer ist als die der Oberflächenwellen im Wellenleiter, werden Schallwellen unter einem von Null verschiedenen Winkel ausgekoppelt, und die Volumenschallwellen legen, eventuell unter Mehrfachreflektion innerhalb des Fluids, eine räumliche Distanz entlang des Wellenleiters zurück. Da der Auskoppelwinkel von der Schallgeschwindigkeit des Fluids abhängt, hängt auch der Verlauf der Volumenwellen durch das Fluid vom zu vermessenden Fluid ab.
Sender und Empfänger sind bei den bekannten Vorrichtungen an einer der Grenzfläche mit dem Fluid entgegengesetzten Seite des jeweiligen Wellenleiters befestigt. Um auf dieser Seite des Wellenleiters angeregte Oberflächenschallwellen in das Fluid einkoppeln zu können, werden daher bevorzugt Lamb-Wellen angeregt, also Wellen, deren Wellenlänge wesentlich länger ist als die Dicke des Wellenleiters zwischen Sender und Fluid. In diesem Fall bewegen sich sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Wellenleiters, wobei die Schwingung auch eine longitudinale Komponente hat. Daher ist diese Art der Anregung zur Auskopplung von Volumenschallwellen geeignet. Es ist auch möglich, die Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwellen in der Größenordnung der Dicke des Wellenleiters zu wählen, wobei dann Oberflächenwellen in einem Übergangsbereich zwischen Lamb-Wellen und Rayleigh-Wellen angeregt werden. Denkbar wäre auch, Rayleigh-Wellen oder Leaky-Rayleigh-Wellen einzusetzen.
Die im Stand der Technik bisher beschriebenen Vorrichtungen, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten, sind komplex aufgebaut und aufwendig in der Fertigung und Wartung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und robuste, aber dennoch flexibel einsetzbare, auf dem Prinzip akustischer Oberflächenwellen beruhende Fluidmesseinrichtung mit einer hohen Messgenauigkeit zu schaffen, die auch bei der Vermessung unterschiedlicher Fluide gute Messergebnisse erzielt.
Diese Aufgabe wird mit einer Fluidmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Fluidmesseinrichtung umfasst ein Messrohr, in dem ein umfangsmäßig geschlossener Durchflusskanal für ein zu messendes Fluid ausgebildet ist und in dem wenigstens zwei Bereiche einer Außenwand des Messrohrs als Wellenleiterabschnitte ausgebildet sind, die jeweils einen Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen bilden. An jedem Wellenleiterabschnitt ist ein erster und/oder ein zweiter Signalumformer angeordnet, wobei der oder jeder Signalumformer dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im jeweiligen Wellenleiterabschnitt anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiterabschnitt zu empfangen. Vom Signalumformer ausgesandte akustische Oberflächenwellen sind vom Wellenleiterabschnitt auskoppelbar und können sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal ausbreiten, und/oder akustische Volumenwellen sind in den Wellenleiter einkoppelbar und vom Signalumformer empfangbar. Die Wellenleiterabschnitte sind entlang des Umfangs des Durchflusskanals gegeneinander versetzt und beabstandet angeordnet. Wenigstens zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten angeordnete erste oder zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten angeordnete zweite Signalumformer sind in Axialrichtung des Durchflusskanals gegeneinander versetzt angeordnet.
Die Wellenleiterabschnitte sind insbesondere in ihrer Wandstärke so gewählt, dass eine Auskopplung auftreffender Volumenschallwellen in den jeweiligen Wellenleiterabschnitt erfolgt und sich die resultierende Oberflächenwelle entlang des Wellenleiterabschnitts bis zu einem der Signalumformer ausbreitet. Es hat sich als günstig herausgestellt, die Wandstärke des Messrohrs in den Wellenleiterabschnitten gegenüber der Wandstärke des Messrohrs außerhalb der Wellenleiterabschnitte zu reduzieren. Die Wandstärke des Messrohrs außerhalb der Wellenleiterabschnitte ist vorzugsweise so groß gewählt, dass dort im Wesentlichen eine Reflexion der Volumenschallwelle, aber nur eine vernachlässigbare Auskopplung von Oberflächenwellen erfolgt.
Zwischen den einzelnen Signalumformern bilden sich abhängig von der Schallgeschwindigkeit des zu vermessenden Fluids unterschiedliche Messpfade durch den Durchflusskanal aus, da sich die Auskoppelwinkel und somit sowohl die Einkoppelstellen in den Wellenleiterabschnitt als auch etwaige Reflexionspunkte an der Innenseite des Durchflusskanals auf den Wellenleiterabschnitten oder in Umfangsrichtung neben den Wellenleiterabschnitten verschieben.
Hier ist anzumerken, dass im Rahmen dieser Anmeldung stets nur Volumenwellen betrachtet werden, die im unmittelbaren Bereich des jeweils als Sender arbeitenden Signalumformers in das Fluid ausgekoppelt werden. Zwar ist es denkbar, dass sich die Volumenwellen in Axialrichtung über die Wellenleiterabschnitte hinaus ausbreiten, sodass auch Reflexionspunkte sowie Einkoppelstellen außerhalb der Wellenleiterabschnitte und außerhalb des axialen Bereichs zwischen den Signalumformern auftreten, derartige Reflexionspunkte und Einkoppelstellen werden jedoch im Rahmen dieser Anmeldung nicht berücksichtigt, da sie nicht zur Messung beitragen und somit vernachlässigbar sind.
Den unterschiedlichen Messpfaden (im Folgenden auch als Messstrecken bezeichnet), die in der Regel auch unterschiedlich lang sind, wird dadurch Rechnung getragen, dass die Anordnung der Signalumformer auf wenigstens zwei unterschiedliche Fluid-Schallgeschwindigkeiten optimiert ist. Beispielsweise ist die Signalintensität am als Empfänger arbeitenden Signalumformer abhängig davon, wo die Volumenwelle in den Wellenleiterabschnitt einkoppelt, an dem dieser Signalumformer platziert ist. Besonders hohe Signalintensitäten lassen sich erreichen, wenn die Einkoppelstelle entlang der Ausbreitungsrichtung unmittelbar vor oder direkt im Bereich dieses Signalumformers liegt. Es ist also vorteilhaft, bei der Wahl des Abstands der als Sender und als Empfänger arbeitenden Signalumformer die Schallgeschwindigkeiten der zu vermessenden Fluide zu berücksichtigen.
Da sich die Position der Signalumformer in der fertiggestellten Fluidmesseinrichtung nicht mehr verändern lässt, ist es notwendig, die Messpfade und die Position der Signalumformer gezielt für ausgewählte Schallgeschwindigkeiten und Fluide zu optimieren.
Dabei hat es sich herausgestellt, dass sich ein gutes Messergebnis für unterschiedliche Fluide erreichen lässt, wenn die Fluidmesseinrichtung so ausgelegt ist, dass eine durch den Durchflusskanal verlaufende Messstrecke zwischen zwei Signalumformern (von denen jeweils einer als Sender und einer als Empfänger arbeitet, dies wird im Folgenden vorausgesetzt und nicht immer einzeln erwähnt) mit einer größeren Länge für Fluide mit größeren Schallgeschwindigkeiten vorgesehen ist, sowie eine durch den Durchflusskanal verlaufende Messstrecke zwischen zwei Signalumformern mit einer kleineren Länge für Fluide mit kleineren Schallgeschwindigkeiten. Die größere Schallgeschwindigkeit kann insbesondere größer als 1800 m/s und die kleinere Schallgeschwindigkeit insbesondere kleiner als 1300 m/s gewählt sein. Die Auskoppelwinkel liegen z.B. etwa im Bereich zwischen 20° und 40°. Die Begriffe „größere Länge“ und „kleinere Länge“ ist ein Relativbezug auf die jeweils andere Messstrecke.
Die Fluidmesseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Auswerteeinheit, die die von allen bei einer Messung sinnvoll als Empfänger einsetzbaren Signalumformern der Fluidmesseinrichtung empfangenen Intensitätssignale auswertet und so den gewünschten zu bestimmenden Parameter ermittelt. Bei der Auswertung ist es möglich, einzelne, beispielsweise zu schwache Signale, nicht zu berücksichtigen oder auch mehrere Signale miteinander zu kombinieren. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer Auswahl von zwei Messstrecken für relativ große und relativ niedrige Fluid-Schallgeschwindigkeiten auch Fluide mit dazwischenliegenden Schallgeschwindigkeiten (wie es beispielsweise für Wasser und viele wässrige Lösungen der Fall ist) mit einer sehr hohen Genauigkeit vermessen werden können.
Im Rahmen dieser Anmeldung ist grundsätzlich vorgesehen, dass jeder Signalumformer sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten kann, auch wenn dies nicht extra erwähnt ist. Die jeweilige Funktion lässt sich von einer geeigneten Steuereinheit für den jeweiligen Messvorgang vorgeben und kann auch im zeitlichen Ablauf eines Messvorgangs wechseln. Wenn mehrere Messungen durchgeführt werden, bei denen die Funktion der Signalumformer zwischen Sender und Empfänger wechselt, kann beispielsweise eine mit der Strömungsrichtung des Fluids verlaufende und eine gegen die Strömungsrichtung des Fluids verlaufende Messstrecke realisiert werden. Die Geometrie der Messstrecke ändert sich dabei in der Regel nicht, sodass die gewählte Position der Signalumformer in Axialrichtung für beide Messrichtungen passend ist.
Außerdem ergibt sich auch in Abhängigkeit vom Durchmesser des Durchflusskanals bei Fluiden mit den beschriebenen Schallgeschwindigkeiten ein Verlauf der Messstrecke mit mehr oder weniger Reflexionsstellen. Bei gängigen Abmessungen des Messrohres, beispielsweise einem Durchmesser zwischen 60 und 120 mm und einer Länge zwischen 60 und 130 mm, ist aufwärts eines bestimmten Messrohrdurchmessers keine praktikable Messstrecke mehr definierbar, die eine Reflexionsstelle umfasst, da die reflektierte Volumenwelle in Axialrichtung stets erst nach dem Signalumformer wieder auf den Wellenleiterabschnitt treffen würde, von dem die Volumenwelle ausgeht. Auch bei kleineren Fluid-Schallgeschwindigkeiten und kleineren Messrohrdurchmessern werden Messstrecken bevorzugt, bei denen höchstens eine Reflexion der Volumenwelle auftritt.
Generell ist es möglich, einen prinzipiellen Verlauf der Messstrecke in Abhängigkeit des Messrohrdurchmessers vorzugeben.
In einer ersten möglichen Variante liegt allen Wellenleiterabschnitten jeweils ein Bereich des Messrohrs gegenüber, der nicht als Wellenleiterabschnitt ausgebildet ist und an dem keine Signalumformer vorgesehen sind. Diese Bereiche der Außenwand des Messrohrs haben eine Wandstärke, die gegenüber den in Umfangsrichtung benachbarten Bereichen der Außenwand unverändert ist. Die Fluidmesseinrichtung ist so ausgelegt, dass die ausgekoppelte Volumenschallwelle an diesem Bereich der Innenseite zum Wellenleiterabschnitt, von dem sie ausgekoppelt wurde, zurückreflektiert wird. Dabei wird die Volumenwellen insbesondere nur ein einziges Mal reflektiert.
In dieser Variante liegen sich also nicht zwei Wellenleiterabschnitte diametral am Messrohr gegenüber, sondern die Wellenleiterabschnitte sind entlang des Umfangs um einen Winkel versetzt, der von 180° abweicht, wobei der Winkel z.B. 45°, 60°, 90° oder 120° beträgt. Daher trifft die von einem Wellenleiterabschnitt ausgekoppelte Volumenwellen nicht auf einen Wellenleiterabschnitt, sondern wird ohne nennenswerte Auskopplung in die Messrohrwand an der Messrohrwand zurück zu dem Wellenleiterabschnitt reflektiert, in dem die Volumenwelle angeregt wurde. Dort wird die Volumenwellen teilweise wieder in den Wellenleiterabschnitt eingekoppelt und verläuft in diesem bis zum als Empfänger dienenden Signalumformer.
Für eine derartige Fluidmesseinrichtung werden ein Minimum von zwei Wellenleiterabschnitten und insgesamt vier Signalumformern benötigt, wobei auf jedem Wellenleiterabschnitt zwei Signalumformer angeordnet sind.
Diese Variante ist günstig für kleinere Rohrdurchmesser, beispielsweise für Messrohrdurchmesser zwischen 4 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 15 mm und 40 mm. Hierbei wird von einem kreisrunden Querschnitt des Messrohres ausgegangen.
Die Messstrecken für Fluide mit größerer sowie kleinerer Schallgeschwindigkeit unterscheiden sich hier vor allem im Abstand, den der erste und der zweite Signalumformer auf einem Wellenleiterabschnitt haben. Daher sollten diese Abstände für wenigstens zwei Wellenleiterabschnitte unterschiedlich sein, wobei auf dem Wellenleiterabschnitt, der der für größere Schallgeschwindigkeiten optimierten Messstrecke zugeordnet ist, die beiden Signalumformer weiter voneinander entfernt angeordnet sind als auf dem anderen Wellenleiterabschn itt.
Natürlich ist es möglich, mehr als nur zwei Wellenleiterabschnitte vorzusehen, wobei die Anordnung der Signalumformer für mehrere Wellenleiterabschnitte identisch sein kann oder auch für alle Wellenleiter unterschiedlich, um entweder die Zahl der Messpfade für einzelne Schallgeschwindigkeiten oder die Zahl der Messpfade, die auf eine bestimmte Schallgeschwindigkeit optimiert sind, zu erhöhen.
Die direkte Strecke zwischen den beiden Signalumformern auf einem Wellenleiterabschnitt dient dabei jeweils als Referenzstrecke, auf der der Verlauf der nicht ausgekoppelten Oberflächenwellen erfasst wird.
In einer anderen Variante weist die Fluidmesseinrichtung eine geradzahlige Anzahl von Wellenleiterabschnitten auf, wobei jeweils zwei Wellenleiterabschnitte diametral gegenüberliegend angeordnet sind und ein Wellenleiterpaar bilden. Jedes Wellenleiterpaar umfasst einen als Referenz-Wellenleiter dienenden Wellenleiterabschnitt und einen als Mess-Wellenleiter dienenden Wellenleiterabschnitt. Die axiale Position des ersten und/oder des zweiten Signalumformers auf dem Mess-Wellenleiter unterscheidet sich in wenigstens zwei Wellenleiterpaaren.
Hier sind insgesamt wenigstens vier Wellenleiterabschnitte erforderlich, um zwei auf unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten optimierte Messstrecken bereitzustellen, wobei pro Wellenleiterpaar minimal insgesamt drei Signalumformer vorgesehen sein müssen. Davon sind jeweils zwei Signalumformer auf einen Referenz-Wellenleiter angeordnet. Auf den Mess-Wellenleitern ist es möglich, lediglich einen einzigen Signalumformer vorzusehen.
Bei der Verwendung von insgesamt vier Wellenleiterabschnitten sind diese vorzugsweise jeweils im 90°-Abstand entlang des Umfangs angeordnet.
Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Signalumformer ist vorzugsweise auf jedem der Referenz-Wellenleiter gleich.
Diese Ausführung bietet sich für Messrohr mit einem größeren Durchmesser an, wobei der Messrohrdurchmesser insbesondere zwischen 10 mm und 400 mm und insbesondere zwischen 40 mm und 200 mm liegt. Auch hier wird von einem kreisrunden Querschnitt des Messrohres ausgegangen.
Bei diesen geometrischen Verhältnissen liegt normalerweise keine Reflexionsstelle in der Messstrecke. Die ausgekoppelten Volumenwellen durchqueren den Durchflusskanal lediglich ein einziges Mal und werden in den gegenüberliegenden Wellenleiterabschnitt eingekoppelt, wo sie auf einen Signalumformer treffen, der gerade als Empfänger arbeitet.
In unterschiedlichen Wellenleiterpaaren liegen insbesondere die ersten oder die zweiten Signalumformer in unterschiedlichen axialen Positionen.
So ist es möglich, jeweils eine Messstrecke zwischen dem ersten Signalumformer des Referenz-Wellenleiters und dem Signalumformer auf dem zugehörigen Mess-Wellenleiter des Wellenleiterpaars zu bilden, wobei insbesondere die ausgekoppelten akustischen Volumenwellen nicht an einer Innenseite des Durchflusskanals reflektiert werden, bevor sie in den Mess-Wellenleiter einkoppeln.
Hier lässt sich die Länge der Messstrecke durch die Position des Signalumformers auf dem Mess-Wellenleiter vorgeben und für unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten optimieren.
Vorzugsweise ist eine Länge einer durch den Durchflusskanal verlaufenden Messstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Signalumformer diametral gegenüberliegender Wellenleiterabschnitte für zwei Wellenleiterpaare unterschiedlich, sodass zumindest zwei für unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten optimierte Messstrecken vorgesehen sind.
Natürlich können weitere Wellenleiterpaare vorgesehen sein, wobei entweder mehrere gleichlange Messstrecken realisiert werden können oder auf weitere Schallgeschwindigkeiten optimierte, unterschiedlich lange Messstrecken vorgesehen sein können.
Es ist dabei möglich, einen der Signalumformer auf dem Referenz-Wellenleiter oder einen Signalumformer auf dem Mess-Wellenleiter als Sender zu verwenden, sodass auch in dieser Variante eine Messung in und entgegen der Durchflussrichtung möglich ist.
Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Signalumformer kann auf jeweils einem Wellenleiterabschnitt zweier unterschiedlicher Wellenleiterpaare gleich sein, vorzugsweise jeweils auf dem Referenz-Wellenleiter. Da auf dem Referenz-Wellenleiter lediglich die entlang der Messrohrwand verlaufende Oberflächenwelle detektiert wird, die nicht von der Schallgeschwindigkeit des jeweiligen zu vermessenden Fluids abhängig ist, ist es nicht notwendig, diese Distanz zu variieren.
In dieser Variante ist es möglich, vorgefertigte Sensorbaugruppen zu verwenden, die jeweils zwei Signalumformer sowie eine Leiterplatte mit den notwendigen elektrischen Leitungen umfassen, auf der die beiden Signalumformer fest im vorgegebenen Abstand montiert sind.
In einem Wellenleiterpaar werden dann jeweils zwei Sensorbaugruppen an unterschiedlichen axialen Positionen verbaut. Somit sind dann auch auf den Mess-Wellenleitern jeweils zwei Signalumformer vorgesehen. Es kann dann vorteilhaft sein, den nicht in Axialrichtung zwischen den beiden Signalumformer auf dem Referenz-Wellenleiter liegenden Signalumformer funktionslos zu schalten.
Jeweils ein Wellenleiterabschnitt oder ein Wellenleiterpaar kann somit eine kürzere durch den Durchflusskanal verlaufenden Messstrecke und jeweils ein Wellenleiterabschnitt oder ein Wellenleiterpaar kann eine längere durch den Durchflusskanal verlaufenden Messstrecke definieren, sodass die Fluidmesseinrichtung unterschiedliche Messstrecken aufweist, die jeweils für andere Fluid-Schallgeschwindigkeiten ausgelegt sind.
Es ist denkbar, alle Signalumformer an unterschiedlichen axialen Positionen anzuordnen.
Die Messrohrwand ist normalerweise im Bereich des Durchflusskanals einstückig ausgebildet. Sie könnte aber auch aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein.
Der Durchflusskanal weist vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf. Neben einer kreisrunden Querschnittsform kann der Durchflusskanal aber auch beliebige geeignete andere Querschnittsformen aufweisen, die z.B. quadratisch, rechteckig, sechseckig, achteckig oder allgemein polygonal sein können. Dabei ist allerdings auf den Verlauf der Messstrecken durch den Durchflusskanal zu achten.
Als Material für das Messrohr sind Materialien mit einer hohen Schallgeschwindigkeit von vorzugsweise >1800 m/s vorteilhaft. Beispielsweise besitzen Metalle wie Edelstahl, Messing und Kupfer, aber auch hochfeste Kunststoffe diese Eigenschaft.
Gegebenenfalls kann mit der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung ein Geschwindigkeitsprofil über den Querschnitt des Durchflusskanals erstellt werden.
Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn alle Wellenleiterabschnitte so angeordnet sind, dass sie jeweils auf einer Parallelen zur Mittelachse des Durchflusskanals liegen. Somit liegen die Wellenleiterabschnitte parallel zur Durchflussrichtung. Dies erleichtert die Auswertung.
Bevorzugt sind die Signalumformer so angeordnet, dass akustische Volumenwellen direkt nach der Auskopplung vom jeweiligen Wellenleiterabschnitt von jedem als Sender wirkenden Signalumformer durch die Mittelachse des Durchflusskanals verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass sämtliche Messpfade durch die Mittelachse verlaufen und somit auf einfache Weise geometrisch festgelegt sind. Auch dies erleichtert die Auswertung, vor allem bei nicht vollständig mit dem zu messenden Fluid gefüllten Durchflusskanal.
Die Wellenleiterabschnitte können einen Teil der Innenseite des Durchflusskanals bilden, der in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, wobei die Wellenleiterabschnitte als Abflachungen auf einer gerundeten Außenwand des Messrohres ausgebildet sind, in denen die Wandstärke des Messrohres reduziert ist. Der erste und der zweite Signalumformer sind jeweils direkt auf der Abflachung eines Wellenleiterabschnitts platziert.
Die Innenseite des Durchflusskanals ist jedoch nicht durchbrochen, da die Wellenleiter jeweils einen Teil der Wand des Durchflusskanals bilden. Die Abflachung reduziert die Wandstärke auf einen von Null verschiedenen Wert. Das Messrohr lässt sich zumindest im Bereich des Durchflusskanals als Rohr mit einer ununterbrochenen, einstückigen Wandung gestalten, wobei die Wellenleiterabschnitte durch Abflachungen der Außenwand des Messrohrs gebildet sind, in denen die Wandstärke des Messrohrs gegenüber in Umfangsrichtung angrenzenden Bereichen reduziert ist.
Die Abflachungen können an ihren axialen Enden in Seitenansicht jeweils schräg und zum axialen Ende zulaufend ausgebildet sein. Eine derartige Form bewirkt eine stetige Erhöhung der reduzierten Wandstärke auf die volle, also unverminderte Wandstärke des Messrohrs, gesehen in Axialrichtung, und wirkt sich vorteilhaft auf eine Ausbreitung der Oberflächenwellen und eine Auskoppelung der Volumenwellen entlang des Wellenleiterabschnitts aus.
Die Abflachung kann z.B. durch Fräsen hergestellt werden, was es in einfacher Weise ermöglicht, Bereiche mit verringerter Wandstärke in das Messrohr einzubringen.
Sind die Signalumformer wie oben beschrieben Teil einer Sensorbaugruppe, so lässt sich an jedem Wellenleiterabschnitt eine Sensorbaugruppe so befestigen, sodass die beiden Signalumformer auf der Außenwand des Messrohrs in direktem Kontakt mit dem Wellenleiterabschnitt sind. Sowohl der erste als auch der zweite Signalumformer an einem Wellenleiterabschnitt sollten auf der Abflachung liegen.
Akustische Oberflächenwellen, die von einem als Sender arbeitenden Signalumformer erzeugt werden, werden dann direkt in den Wellenleiterabschnitt eingekoppelt, von wo aus sie teilweise entlang des Wellenleiters als akustische Oberflächenwellen weiterlaufen und teilweise als Volumenwellen in den Durchflusskanal ausgekoppelt werden. Ein Signalumformer, der als Empfänger arbeitet, empfängt akustische Oberflächenwellen direkt vom Wellenleiterabschnitt.
Die Form des Querschnitts des Durchflusskanals, insbesondere die Krümmung einer Innenseite des Durchflusskanals, sollte bei einem kreisrunden Querschnitt des Durchflusskanals im Bereich der Wellenleiterabschnitte und außerhalb der Wellenleiterabschnitte gleich sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung mit einem Messrohr und einem das Messrohr umgebenden Gehäuse;
- 2 das Messrohr der Fluidmesseinrichtung aus 1;
- 3 eine schematische perspektivische Darstellung des Messrohrs aus 2, bei dem Wellenleiterabschnitte und daran angeordnete Signalumformer gezeigt sind;
- 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Messrohrs aus 2, bei dem Sensorbaugruppen auf den einzelnen Wellenleiterabschnitten montiert sind;
- 5 und 6 Möglichkeiten zur Anordnung der Wellenleiterabschnitte am Messrohr einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung für unterschiedliche Messrohrdurchmesser, in einer axialen Draufsicht;
- 7 einen möglichen Verlauf der Volumenwellen im Messrohr der 6, in einer axialen Draufsicht;
- 8 und 9 einen Verlauf einer Messstrecke durch den Durchflusskanal für eine erste Ausführungsform der Erfindung; und
- 10 und 11 einen Verlauf einer Messstrecke durch den Durchflusskanal für eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine Fluidmesseinrichtung 10, die dazu ausgelegt ist, unterschiedliche, hindurchströmende Fluide (nicht dargestellt) zu vermessen, um eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder andere Eigenschaften des jeweiligen Fluids zu bestimmen.
In einem Gehäuse 12 ist ein langgestrecktes Messrohr 14 angeordnet, das einen Durchflusskanal 16 für das jeweilige zu vermessende Fluid bildet. Der Durchflusskanal 16 ist eine entlang seiner gesamten axialen Erstreckung entlang einer Durchflussrichtung D umfangsmäßig geschlossene Röhre, die an einem Ende in einen Fluideinlass 18 und am anderen Ende in einen Fluidauslass 20 übergeht. Im Bereich des Fluideinlasses 18 und des Fluidauslasses 20 ist jeweils ein Flansch 21 am Messrohr 14 ausgebildet, der dazu dient, die Fluidmesseinrichtung 10 in eine fluidführende Anlage einzubauen. Normalerweise sind Fluideinlass 18 und Fluidauslass 20 in ihrer Funktion austauschbar.
Der Durchflusskanal 16 bildet hier eine geradlinig verlaufende Strecke entlang der Durchflussrichtung D, die das zu vermessende Fluid durchströmt, wobei die Querschnittsfläche des Durchflusskanals 16 In diesem Beispiel über dessen Länge konstant ist.
Die Durchflussrichtung D fällt hier mit der Axialrichtung A des Messrohrs 14 zusammen.
Das Gehäuse 12 ist außerhalb des Messrohrs 14 nicht fluidführend ausgebildet. Hier sind beispielsweise elektrische und elektronische Anschlüsse sowie z.B. eine Steuereinheit zum Betrieb der Fluidmesseinrichtung 10 angeordnet. Gegebenenfalls ist auch ein Display vorgesehen.
An einer Außenseite 23 einer Außenwand 22 des Messrohrs 14 sind über den Umfang verteilt mehrere Wellenleiterabschnitte 24 für akustische Oberflächenwellen ausgebildet (siehe auch 9 und 11).
Auf jedem der Wellenleiterabschnitte 24 ist mit direktem Kontakt zur Außenwand 22 des Messrohrs 14 ein erster und/oder ein zweiter Signalumformer 26, 28 angeordnet.
In den 1 und 2 ist die Anordnung der Signalumformer 26, 28 nur schematisch dargestellt. Insbesondere mögliche axiale Positionen der Signalumformer 26. 28 ergeben sich aus dem 9 und 11.
In diesem Beispiel können die beiden Signalumformer 26, 28 an einem Wellenleiterabschnitt 24 jeweils Teil einer Sensorbaugruppe 30 sein, die neben den beiden Signalumformern 26, 28 auch noch eine Leiterplatte 32 umfasst, auf der die beiden Signalumformer 26, 28 in einem vorgegebenen Abstand as voneinander montiert sind (siehe 2 und 4).
Optional kann die Sensorbaugruppe 30 auch einen (nicht dargestellten) Temperatursensor aufweisen.
Alle Signalumformer 26, 28 sind hier identisch aufgebaut und sind Piezo-Transducer in Form eines Interdigitalwandlers, der den Wellenleiterabschnitt 24 direkt kontaktiert. Die Signalumformer 26, 28 können jeweils sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt werden. Im Sendermodus werden durch das Anlegen einer Wechselspannung an den Signalumformer 26, 28 akustische Oberflächenwellen im Wellenleiterabschnitt 24 angeregt. Im Empfängermodus kann der Signalumformer 26, 28 Oberflächenwellen vom Wellenleiterabschnitt 24 empfangen und in elektrische Signale umwandeln.
Sämtliche Signalumformer 26, 28 und alle Wellenleiterabschnitte 24 sind am Durchflusskanal 16 angeordnet. Es ist nur ein einziger Durchflusskanal 16 in der Fluidmesseinrichtung 10 vorgesehen.
Das Messrohr 14 hat in diesem Beispiel einen kreisrunden Querschnitt und dementsprechend auch eine im Wesentlichen runde Außenwand 22 (siehe beispielsweise 3 und 4).
Die Wellenleiterabschnitte 24 sind als in Axialrichtung A verlaufende Abflachungen 34 in der Außenwand 22 des Messrohres 14 ausgebildet.
Die Breite der Abflachungen 34 in Umfangsrichtung U ist hier nur unwesentlich größer als die Breite der Signalumformer 26, 28, die vollständig auf der jeweiligen Abflachung 34 angeordnet sind.
Entlang der Umfangsrichtung U weist das Messrohr 14 im Bereich des Durchflusskanals 16 außerhalb der Abflachungen 34 der Wellenleiterabschnitte 24 eine erste, dickere Wandstärke W₁ auf, die hier auch als unverminderte Wandstärke bezeichnet wird. In den Abflachungen 34, also den Wellenleiterabschnitten 24, ist die Wandstärke W₁ auf einen kleineren Wert W₂ reduziert. Jedoch bleibt die Wandstärke stets von Null verschieden, die Außenwand 22 des Messrohrs 14 ist also im Bereich des Durchflusskanals 16 an keiner Stelle durchbrochen.
Im Durchflusskanal 16 kommt das durchströmende Fluid in direkten Kontakt mit der Innenseite 35 des Messrohrs 14, auch an den Abschnitten der Innenseite 35, an denen radial außerhalb die Abflachungen 34 und damit die Wellenleiterabschnitte 24 vorgesehen sind. Die von den Signalumformern 26, 28 erzeugten akustischen Oberflächenwellen werden daher teilweise bei Kontakt mit dem Fluid als akustische Volumenwellen V aus den Wellenleiterabschnitten 24 in das Fluid ausgekoppelt und umgekehrt teilweise wieder in die Wellenleiterabschnitte 24 eingekoppelt. Dies ist schematisch in den 1 und 2 dargestellt, wobei Die Reflexionsstellen der akustischen Volumenwellen nur schematisch dargestellt sind und auch die in den Wellenleiterabschnitten 24 verlaufenden akustischen Oberflächenwellen nicht gezeigt sind. Es ist auch möglich, und zwar abhängig vom Auskoppelungswinkel, vom Durchmesser und von der Länge des Messrohrs 14, dass die Volumenwelle innerhalb des Durchflusskanals 16 nach einer Reflexion überhaupt nicht mehr auf die Innenseite 35 trifft.
In den 2 bis 4 sind auch die Abflachungen 34 gut zu erkennen, die die jeweiligen Wellenleiterabschnitte 24 bilden. Jede der Abflachungen 34 läuft in Axialrichtung A an beiden axialen Enden 36 in Seitenansicht schräg zum jeweiligen axialen Ende 36 zu, sodass in Axialrichtung A die Abflachung 34 stetig und ohne abrupte Stufe von der verringerten Wandstärke W₂ auf die unverminderte Wandstärke W₁ der umgebenden Außenwand 22 übergeht.
In der in den 6 bis 9 gezeigten Ausführungsform sind die Wellenleiterabschnitte 24 jeweils paarweise diametral gegenüberliegend an der Außenwand 22 des Messrohres 14 angeordnet, sodass eine gedachte Gerade zwischen gegenüberliegenden Wellenleiterabschnitten 24 durch eine Mittelachse M des Durchflusskanals 16 verläuft. Insgesamt sind vier Wellenleiterabschnitte 24 vorgesehen, wobei jeweils zwei gegenüberliegende Wellenleiterabschnitte 24 zu einem Wellenleiterpaar 38 zusammengefasst sind. In jedem Wellenleiterpaar 38 stellt einer der Wellenleiterabschnitte einen Referenz-Wellenleiter 40 und der andere Wellenleiterabschnitt 24 einen Mess-Wellenleiter 42 dar (siehe 9).
Das Messrohr 14 hat in dieser Ausführungsform einen relativ großen Durchmesser d₂ , der beispielsweise zwischen 10 mm und 400 mm und insbesondere zwischen 40 mm und 200 mm liegen kann.
Dies führt dazu, wie in 9 dargestellt, dass die Volumenwellen V nach dem Auskoppeln den Durchflusskanal 16 im Verlauf der Messstrecke nur einmal durchqueren und nur die in den gegenüberliegenden Wellenleiterabschnitt 24 eingekoppelten Anteile der Volumenwellen V zum Messsignal beitragen. Reflektierte Anteile der Volumenwellen V treffen erst (wenn überhaupt) nach dem zweiten Signalumformer 28, der das Signal aufnimmt, wieder auf die Messrohrwand.
Die beiden Wellenleiterpaare 38 sind dahingehend unterschiedlich ausgebildet, dass die Position der zweiten Signalumformer 28 auf den jeweiligen Mess-Wellenleitern 42 unterschiedlich gewählt ist.
In beiden Wellenleiterpaaren 38 liegen die zweiten Signalumformer 28 auf den Mess-Wellenleitern 42 in Axialrichtung A jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Signalumformer 26, 28 auf den Referenz-Wellenleitern 40, jedoch in unterschiedlichen axialen Positionen.
Die exakten axialen Positionen der zweiten Signalumformer 28 auf den Mess-Wellenleitern 42 ist jeweils an eine fest vorgegebene Fluid-Schallgeschwindigkeit C_F1 , C_F2 angepasst.
In den hier gezeigten Beispielen ist die Schallgeschwindigkeit C_F1 beispielhaft gleich oder kleiner 1300 m/s und die Schallgeschwindigkeit C_F2 beispielhaft gleich oder größer 1800 m/s gewählt.
An jedem Wellenleiterabschnitt 24 ist eine Sensorbaugruppe 30 montiert, sodass auf allen vier Wellenleiterabschnitten 24 jeweils zwei Signalumformer 26, 28 im gleichen Abstand a_s angeordnet sind. Dies erfolgt aus fertigungstechnischen Gründen. Natürlich könnten auch die Signalumformer 26, 28 separat montiert werden. Die ersten Signalumformer 26 auf den Mess-Wellenleitern 42 sind hier jedoch ohne Funktion und können auch von der Auswerteeinheit funktionslos geschaltet sein.
Auf den beiden Referenz-Wellenleitern 40 befinden sich die ersten und zweiten Signalumformer 26, 28 hier jeweils an der gleichen axialen Position.
In dem in 9 oberen Wellenleiterpaar 38 ist der zweite Signalumformer 28 auf den Mess-Wellenleiter 42 in einer axialen Position angebracht, die für eine maximale empfangene Signalintensität für die Fluid-Schallgeschwindigkeit C_F1 angepasst ist.
In dem in 9 unteren Wellenleiterpaar 38 ist der zweite Signalumformer 28 hingegen auf den Mess-Wellenleiter 42 in einer axialen Position angebracht, die für eine maximale empfangene Signalintensität für die Fluid-Schallgeschwindigkeit C_F2 angepasst ist.
Die beiden Wellenleiterpaare 38 sind um 90° in Umfangsrichtung U gegeneinander versetzt montiert, wie in 8 gezeigt ist.
Zur Vermessung eines Fluids wird eine Fluidströmung durch den Durchflusskanal 16 erzeugt, die entlang der Durchflussrichtung D entweder vom Fluideinlass 18 zum Fluidauslass 20 oder umgekehrt verläuft.
Bei einer Messung werden beispielsweise beide ersten Signalumformer 26 der Referenz-Wellenleiter 40 der beiden Wellenleiterpaare 38 angeregt und erzeugen Oberflächenwellen 44. Diese Oberflächenwellen 44 verlaufen zum einen entlang des Referenz-Wellenleiters 40 zum jeweiligen zweiten Signalumformer 28 auf dem jeweiligen Referenz-Wellenleiter 40 und werden dort erfasst. Ein Teil der angeregten Oberflächenwellen 44 wird als Volumenwellen V in das Fluid im Inneren des Durchflusskanals 16 unter einem durch die Fluid-Schallgeschwindigkeit bestimmten Winkel ausgekoppelt und durchlaufen das Fluid, bis sie auf den gegenüberliegenden Mess-Wellenleiter 42 treffen und dort teilweise wieder eingekoppelt werden. Dort verlaufen die so erzeugten Oberflächenwellen zum zweiten Signalumformer 28 auf dem Mess-Wellenleiter 42 und werden dort als Intensitätssignal mit einem zeitlichen Verlauf detektiert und an die Auswerteeinheit weitergegeben.
Aus den so empfangenen Daten bestimmt die Auswerteeinheit den gewünschten Parameter des Fluids. Dabei ist es möglich, Messsignale einzelner Signalumformer 28 zu ignorieren oder die Messsignale mehrerer oder aller Signalumformer 28 zu kombinieren.
Aufgrund des von Null verschiedenen Auskopplungswinkels hat die Messstrecke, die die Volumenwelle V durch den Durchflusskanal 16 zurücklegt und die vom als Sender wirkenden ersten Signalumformer 26 des Referenz-Wellenleiters 40 durch den Durchflusskanal 16 zum Mess-Wellenleiter 42 und von dort zum zweiten Signalumformer 28 auf dem Mess-Wellenleiter 42 verläuft, eine axiale Komponente, die entweder in oder entgegen der Strömungsrichtung des Fluids im Durchflusskanal 16 verläuft. Soll in der anderen Richtung gemessen werden, so kann jeweils der zweite Signalumformer 28 auf den Mess-Wellenleiter 42 als Sender genutzt werden, während der erste Signalumformer 26 auf den Referenz-Wellenleitern 40 als Empfänger dient. Die Messstrecke wird dabei umgekehrt durchlaufen. Das Referenzsignal kann entweder durch Verwendung der zweiten Signalumformer 28 auf den Referenz-Wellenleitern 40 als Sender erzeugt werden oder durch zeitweiliges Verwenden der ersten Signalumformer 26 auf den Referenz-Wellenleitern 40 als Sender.
7 zeigt, dass sämtliche Messstrecken jeweils durch den Mittelpunkt M des Durchflusskanals 16 verlaufen.
Die 5, 10 und 11 zeigen eine zweite Ausführungsform, die insbesondere für Messrohre 14 mit kleinerem Durchmesser d₁ zwischen beispielsweise 4 mm und 50 mm, insbesondere 15 mm und 40 mm, verwendet wird.
In diesem Fall sind insgesamt nur zwei Wellenleiterabschnitte 24 vorgesehen, die in einem spitzen Winkel, beispielsweise etwa 60° in Umfangsrichtung U gegeneinander versetzt am Messrohr 14 angeordnet sind (siehe 5 und 10). Gegenüber von den jeweiligen Wellenleiterabschnitten 24 liegt die normale Wand des Messrohres 14 mit der unverminderten Wandstärke W₁ und ohne Signalumformer 26, 28, also kein Wellenleiterabschnitt 24.
Auf den beiden Wellenleiterabschnitten 24 ist jeweils ein erster und ein zweiter Signalumformer 26, 28 angeordnet, wobei die Abstände zwischen den Signalumformern 26, 28 eines Wellenleiterabschnitts 24 für beide Wellenleiterabschnitte 24 unterschiedlich gewählt sind. In 11 ist das mit den Längen as und as + av verdeutlicht. Es ist möglich, für einen der beiden Wellenleiterabschnitte 24 eine oben beschriebene Sensorbaugruppe 30 mit dem vorgegebenen Signalumformerabstand as zu verwenden und nur für den zweiten Wellenleiterabschnitt 24 die beiden Signalumformer 26, 28 mit einem zusätzlichen Versatz av entlang der Axialrichtung A anzuordnen. Hier könnte die Distanz zwischen den beiden Signalumformer 26, 28 auch kleiner als die Distanz as der beiden Signalumformer 26, 28 auf dem anderen Wellenleiterabschnitt 24 gewählt sein.
Bei dieser Ausführungsform wird im Gegensatz zur oben beschriebenen Ausführungsform die ausgekoppelte Volumenwellen V für beide Fluid-Schallgeschwindigkeiten C_F1 , C_F2 genau einmal an der dem jeweiligen Wellenleiterabschnitt 24 diametral gegenüberliegenden Innenseite 35 des Durchflusskanals 16 reflektiert und trifft somit wieder auf den Wellenleiterabschnitt 24, von dem sie ausgekoppelt wurde, und wird vom zweiten Signalumformer 28 auf diesem Wellenleiterabschnitt 24 detektiert.
Ansonsten verläuft das Messverfahren wie für die erste Ausführungsform beschrieben.
Auch hier ist es möglich, den Verlauf der Messstrecke umzukehren, indem jeweils der zweite Signalumformer 28 als Sender und der erste Signalumformer 26 eines Wellenleiterabschnitts 24 als Empfänger arbeitet.
Das Referenzsignal wird hier ebenfalls auf dem jeweiligen Wellenleiterabschnitt 24 erzeugt, in dem die vom ersten Signalumformer 26 zum zweiten Signalumformer 28 verlaufende Oberflächenwelle 44 detektiert wird. Alle Wellenleiterabschnitte 24 sind hier identisch geformt. In den hier gezeigten Varianten sind alle Wellenleiterabschnitte 24 bezogen auf die Axialrichtung A an der gleichen Position angeordnet.
Durch die Auswertung des zeitlichen Intensitätsverlaufs, z.B. bei einer Laufzeitdifferenzmessung zwischen unterschiedlichen Messpfaden, werden in der Auswerteeinheit, die entweder in der Fluidmesseinrichtung 10 oder auch als externe Einheit ausgebildet sein kann, die gewünschten Eigenschaften des Fluids bestimmt. So lassen sich Rückschlüsse auf Eigenschaften des Fluids im Durchflusskanal wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Temperatur und Homogenität ziehen.

Claims

Fluidmesseinrichtung mit einem Messrohr (14), in dem ein umfangsmäßig geschlossener Durchflusskanal (16) für ein zu messendes Fluid ausgebildet ist und in dem wenigstens zwei Bereiche einer Außenwand (22) des Messrohrs (14) als Wellenleiterabschnitte (24) ausgebildet sind, die jeweils einen Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen bilden, wobei an jedem Wellenleiterabschnitt (24) ein erster und/oder ein zweiter Signalumformer (26, 28) angeordnet ist und der oder jeder Signalumformer (26, 28) dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im jeweiligen Wellenleiterabschnitt (24) anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiterabschnitt (24) zu empfangen, wobei vom Signalumformer (26, 28) ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiterabschnitt (24) auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen (V) durch das Fluid im Durchflusskanal (16) ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen (V) in den Wellenleiterabschnitt (24) einkoppelbar und vom Signalumformer (26, 28) empfangbar sind, wobei die Wellenleiterabschnitte (24) entlang des Umfangs (U) des Durchflusskanals (16) gegeneinander versetzt und beabstandet angeordnet sind und wobei wenigstens zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten (24) angeordnete erste Signalumformer (26) oder zwei auf unterschiedlichen Wellenleiterabschnitten (24) angeordnete zweite Signalumformer (28) in Axialrichtung (A) des Durchflusskanals (16) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidmesseinrichtung (10) so ausgelegt ist, dass eine durch den Durchflusskanal (16) verlaufende Messstrecke zwischen zwei Signalumformern (26, 28) mit einer größeren Länge für Fluide mit größeren Schallgeschwindigkeiten (C_F2) vorgesehen ist, insbesondere für Schallgeschwindigkeiten > 1800 m/s, und eine durch den Durchflusskanal (16) verlaufende Messstrecke zwischen zwei Signalumformern (26, 28) mit einer kleineren Länge für Fluide mit kleineren Schallgeschwindigkeiten (C_F1), insbesondere für Schallgeschwindigkeiten < 1300 m/s.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass allen Wellenleiterabschnitten (24) jeweils ein Bereich des Messrohrs (14) gegenüberliegt, der nicht als Wellenleiterabschnitt (24) ausgebildet ist und an dem keine Signalumformer (26, 28) vorgesehen sind, wobei eine Wandstärke (W₁) der Außenwand (22) des Messrohrs (14) in diesen Bereichen gegenüber den in Umfangsrichtung benachbarten Bereichen der Außenwand (22) unverändert ist, wobei die Fluidmesseinrichtung (10) so ausgelegt ist, dass die ausgekoppelte Volumenschallwelle (V) an diesem Bereich der Innenseite (35) zum Wellenleiterabschnitt (24), von dem sie ausgekoppelt wurde, zurückreflektiert wird, insbesondere nur ein einziges Mal reflektiert wird.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidmesseinrichtung ein Messrohr mit einem Durchmesser aufweist, der zwischen 4 und 50 mm, insbesondere zwischen 15 und 40 mm, liegt.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Signalumformer (26, 28) eines Wellenleiterabschnitts (24) für wenigstens zwei Wellenleiterabschnitte (24) unterschiedlich ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von Wellenleiterabschnitten (24), insbesondere wenigstens vier Wellenleiterabschnitte (24), vorgesehen ist, wobei jeweils zwei Wellenleiterabschnitte (24) diametral gegenüberliegend angeordnet sind und ein Wellenleiterpaar (38) bilden, wobei jedes Wellenleiterpaar (38) einen als Referenz-Wellenleiter (40) dienenden Wellenleiterabschnitt (24) und einen als Mess-Wellenleiter (42) dienenden Wellenleiterabschnitt (24) hat, wobei sich die axiale Position des ersten und/oder des zweiten Signalumformers (26, 28) auf dem Mess-Wellenleiter in wenigstens zwei Wellenleiter Paaren (38) unterscheidet.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidmesseinrichtung ein Messrohr mit einem Durchmesser aufweist, der zwischen 10 und 400 mm, insbesondere zwischen 40 und 200 mm, liegt.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge einer durch den Durchflusskanal (16) verlaufenden Messstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Signalumformer (26, 28) diametral gegenüberliegender Wellenleiterabschnitte (24) für zwei Wellenleiterpaare (38) unterschiedlich ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlichen Wellenleiterpaaren (38) die ersten oder die zweiten Signalumformer (26, 28) an unterschiedlichen axialen Positionen liegen.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Messstrecke zwischen dem ersten Signalumformer (26) des Referenz-Wellenleiters (40) und dem Signalumformer (26, 28) auf dem zugehörigen Mess-Wellenleiter (42) des Wellenleiterpaars (38) gebildet ist, wobei insbesondere die ausgekoppelten akustischen Volumenwellen (V) nicht an einer Innenseite (35) des Durchflusskanals (16) reflektiert werden, bevor sie in den Mess-Wellenleiter (42) einkoppeln.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (as) zwischen dem ersten und dem zweiten Signalumformer (26, 28) auf jeweils einem Wellenleiterabschnitt (24) zweier unterschiedlicher Wellenleiterpaare gleich ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Wellenleiterabschnitt (24) oder ein Wellenleiterpaar (38) eine kürzere durch den Durchflusskanal (16) verlaufende Messstrecke und jeweils ein Wellenleiterabschnitt (24) oder ein Wellenleiterpaar (38) eine längere durch den Durchflusskanal (16) verlaufende Messstrecke definiert.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wellenleiterabschnitte (24)so angeordnet sind, dass sie jeweils auf einer Parallelen zur Mittelachse (M) des Durchflusskanals (16) liegen.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalumformer (26, 28) so angeordnet sind, dass akustische Volumenwellen direkt nach der Auskoppelung vom jeweiligen Wellenleiterabschnitt (24) von jedem als Sender wirkenden Signalumformer (26, 28) durch die Mittelachse (M) des Durchflusskanals (16) verlaufen.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterabschnitte (24) einen Teil der Innenseite (35) des Durchflusskanals (16) bilden, der in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, wobei die Wellenleiterabschnitte (24) als Abflachungen (34) auf einer runden Außenwand (22) des Messrohrs (14) ausgebildet sind, in denen die Wandstärke des Messrohrs (14) reduziert ist, wobei insbesondere die Abflachungen (34) an ihren axialen Enden (36) in Seitenansicht jeweils schräg und zum axialen Ende (36) zulaufend ausgebildet sind.