DE102021133898A1

DE102021133898A1 - Fluidmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102021133898A1
Application number: DE102021133898.0A
Authority: DE
Inventors: Yannick Fuchs
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US11852608B2; FR3118178A1; CN114660170A; US20220196601A1; FR3118178B1

Abstract

Eine Fluidmesseinrichtung (10) zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids (F) hat ein Messrohr (12) mit einem von dem Fluid (F) durchströmbaren Fluidkanal (18), das einen Messabschnitt (20) aufweist, in dem wenigstens ein Bereich einer Messrohrwand (22) als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen (OW) ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid (F) bildet. Es sind wenigstens zwei piezoelektrische Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) vorgesehen, die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sind, von denen einer als Sender (24a) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens einer als Empfänger (24b, 24c, 24d, 24e) zum Empfangen von akustischen Wellen dient. Dabei können durch den Sender angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausbreiten, und die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sind unter Beibehaltung ihrer Funktion elastisch biegsam ausgebildet, indem die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) mehrere parallel zueinander angeordnete, streifenförmige und für sich genommen starre Piezoelemente aufweisen, zwischen denen jeweils eine Schicht aus einem elastischen Material angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft eines Fluids.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Fluidmesseinrichtung zur Bestimmung einer oder mehrerer charakteristischer Eigenschaften einer Flüssigkeit, die durch sie hindurchströmt. Die Eigenschaften des Fluids sind z. B. dessen Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Temperatur und/oder Homogenität.
Aus der DE 10 2019 110 514 A1 ist eine Fluidmesseinrichtung bekannt, die dazu dient, mithilfe akustischer Wellen bestimmte Eigenschaften des in einem Fluidkanal strömenden Fluids zu messen. Hierzu werden in einem Wellenleiter, der durch einen Teil der Wand des Fluidkanals gebildet wird, 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 an einem Empfänger, der beabstandet von einem Sender 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 zulässt.
Als Sender und Empfänger kommen hierbei Piezowandler zum Einsatz, die üblicherweise auf ebenen Kontaktflächen am Messrohr befestigt werden. Unter bestimmten Belastungen wie z.B. hohem Druck oder starker thermischer Beanspruchung können die Piezowandler jedoch brechen, insbesondere wenn es sich um großflächige Wandler handelt, die eine besonders hohe Messgenauigkeit liefern.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fluidmesseinrichtung bereitzustellen, bei der die genannten Probleme vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht 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 zwei piezoelektrischen Wandlern, die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sind. Von den piezoelektrischen Wandlern dient einer als Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens einer als Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen. Dabei können durch den Sender angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle durch das Fluid ausbreiten, und die piezoelektrischen Wandler sind unter Beibehaltung ihrer Funktion elastisch biegsam ausgebildet, indem die piezoelektrischen Wandler mehrere parallel zueinander angeordnete, streifenförmige und für sich genommen starre Piezoelemente aufweisen, zwischen denen jeweils eine Schicht aus einem elastischen Material angeordnet ist.
Da bei der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung die piezoelektrischen Wandler elastisch biegsam ausgebildet sind, besteht bei ihnen auch unter hohen Belastungen, selbst bei einer gewissen Verformung des Messrohrs, keine Bruchgefahr. Auch die Realisierung großflächiger Piezowandler für Systeme mit besonders hoher Messgenauigkeit stellt kein Problem dar. Zudem können sich die piezoelektrischen Wandler aufgrund ihrer Biegsamkeit ideal einer Krümmung z.B. eines kreiszylindrischen Messrohrs anpassen, so dass eine spanende Bearbeitung des Messrohrs, wie sie im Stand der Technik erfolgt, um eine ebene Kontaktfläche für die Wandler zu schaffen, bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nicht nötig ist. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung, was sich wiederum vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter einem streifenförmigen Piezoelement ein dünnes, plättchenartiges Piezoelement zu verstehen ist, das eine vorzugsweise längliche Gestalt hat.
Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Wandler auf die Messrohrwand aufgeklebt, wodurch sich die Fluidmesseinrichtung besonders einfach und kostengünstig fertigen lässt.
Bei dem elastischen Material kann es sich um ein Elastomer oder Vergussmasse handeln.
Bevorzugt bilden die streifenförmigen starren Piezoelemente und die dazwischen angeordneten Schichten aus elastischem Material in einem nicht gebogenen Zustand im Wesentlichen einen Quader. Insbesondere beträgt dabei die Länge des Quaders maximal das Zehnfache seiner Breite und die Höhe etwa ein Zehntel der Breite. Alternativ ist auch die Verwendung von Wandlern mit quadratischer Grundfläche möglich.
In einer bevorzugten Variante wechseln sich die streifenförmigen starren Piezoelemente und die dazwischen angeordneten Schichten aus elastischem Material in Längsrichtung des Quaders gesehen ab und jedes der streifenförmigen starren Piezoelemente erstreckt sich über die gesamte Breite des Quaders. Auf diese Weise erhält man piezoelektrische Wandler, die die gewünschte Biegsamkeit aufweisen und sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen haben, in der Messrohrwand eine akustische Oberflächenwelle mit großer Amplitude zu erzeugen.
In einer alternativen Ausgestaltung wechseln sich die streifenförmigen starren Piezoelemente und die dazwischen angeordneten Schichten aus elastischem Material sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Quaders gesehen ab. Dadurch ergibt sich ein Aufbau aus zahlreichen kleinen rechteckigen Piezoelementen, die durch ein Gitter aus elastischem Material voneinander getrennt sind, wodurch sich die Biegsamkeit der piezoelektrischen Wandler verbessert.
Eine besonders einfache und bruchsichere Ausgestaltung ergibt sich, wenn die piezoelektrischen Wandler eine elastische Leiterplatte oder Leiterplattenfolie aufweisen, an der die streifenförmigen Piezoelemente befestigt und elektrisch kontaktiert sind. Dabei werden bevorzugt bei der Montage der piezoelektrischen Wandler zunächst die Quader aus den streifenförmigen Piezoelementen mit dazwischen angeordneten Schichten aus elastischem Material auf der Messrohrwand aufgeklebt und anschließend wird die flexible Leiterplatine auf der anderen Seite der Quader angebracht.
Als fertigungstechnisch besonders günstig hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei der die piezoelektrischen Wandler jeweils zwei Elektroden aufweisen, die auf der elastischen Leiterplatte bzw. Leiterplattenfolie angebracht und insbesondere so angeordnet sind, dass die akustische Welle über die längste Seite des piezoelektrischen Wandlers in das Messrohr gekoppelt bzw. aus diesem empfangen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder piezoelektrische Wandler wenigstens ein Elektrodenpaar auf, wobei eine erste Elektrode des Elektrodenpaares an einer dem Messrohr abgewandten Seite der Piezoelemente und die zweite Elektrode des Elektrodenpaares an einer dem Messrohr zugewandten Seite der Piezoelemente sowie der ersten Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist und wobei im Betrieb des piezoelektrischen Wandlers zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Elektrodenpaares eine Spannung anliegt. In Draufsicht auf den Wandler liegen die beiden Elektroden eines Elektrodenpaares also exakt übereinander. Bei dieser Ausgestaltung schwingen die Piezoelemente bei Anlegen einer Wechselspannung hauptsächlich in Richtung senkrecht zur Messrohrwand, was für die Anregung einer Oberflächenwelle in der darunterliegenden Messrohrwand besonders günstig ist.
Bevorzugt weist jeder piezoelektrische Wandler wenigstens zwei Elektrodenpaare auf, insbesondere wobei die auf derselben Seite der Piezoelemente angeordneten Elektroden verschiedener Elektrodenpaare kurzgeschlossen sind. Auf diese Weise schwingen die Piezoelemente zumindest an den Stellen, an denen die Elektrodenpaare vorgesehen sind, gleichphasig in einer Art Biegeschwingung, die sich als besonders geeignet zur Erzeugung von SAW in der Messrohrwand erwiesen hat. Der Abstand der Elektrodenpaare zueinander entspricht dabei insbesondere der Wellenlänge der zu erzeugenden akustischen Oberflächenwelle.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform verlaufen sämtliche Elektroden parallel zu einer Längsachse des piezoelektrischen Wandlers und zumindest zwei Elektrodenpaare weisen unterschiedliche Abstände von der Längsachse auf, insbesondere wobei ein Elektrodenpaar in einem Randbereich und ein Elektrodenpaar in einem mittleren Bereich des piezoelektrischen Wandlers angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine asymmetrische Ausbreitung der vom Wandler ausgesandten akustischen Oberflächenwellen; insbesondere erhält man auf der Seite des Wandlers, an der kein Elektrodenpaar angeordnet ist, eine um bis zu 50% größere Amplitude. Vorteilhaft wird daher die über diese Seite in das Messrohr eingekoppelte akustische Welle zur Messung genutzt.
Vorzugsweise hat die Messrohrwand im gesamten Messabschnitt eine im Wesentlichen konstante Wandstärke, was die Fertigung zusätzlich vereinfacht. Dabei kann die Wandstärke sogar geringer ausfallen als bei bekannten Fluidmesseinrichtungen, da auf eine spanende Bearbeitung zur Erzeugung ebener Kontaktflächen für die piezoelektrischen Wandler verzichtet werden kann. Dies ist besonders bei Messrohren mit gleichbleibender dünner Messrohrwand relevant, da hier ein Abtrag von Material durch Fräsen nicht oder kaum möglich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Messrohr innenseitig zylindrisch ausgebildet und es sind wenigstens drei piezoelektrische Wandler vorgesehen, von denen einer als Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens zwei als Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen dienen. Dabei liegen die piezoelektrischen Wandler an der Messrohrwand flächig an und sind bezogen auf ihre Mittellinie jeweils unter einem spitzen Winkel zur Längserstreckungsrichtung des Messrohrs und zudem in Umfangsrichtung und in Längserstreckungsrichtung des Messrohrs versetzt zueinander angeordnet.
Durch diese Anordnung der Wandler lässt sich sowohl bei einem Messrohr mit rundem Querschnitt als auch bei einem Messrohr mit eckigem Querschnitt eine besonders lange Messtrecke erreichen, so dass ein besonders großer Anteil des Fluids bei der Messung berücksichtigt wird.
Ein für die Messung besonders günstiger Verlauf der Volumenwellen im Fluid lässt sich erreichen, wenn die einzelnen piezoelektrischen Wandler, bezogen auf ihre jeweilige Mittellinie, unter verschiedenen spitzen Winkeln zur Längserstreckungsrichtung des Messrohrs angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erster Empfänger so an der Messrohrwand angeordnet, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die direkt über die als Wellenleiter dienende Messrohrwand übertragen wird, und ein zweiter Empfänger ist so an der Messrohrwand angeordnet, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die sich abschnittsweise als Volumenwelle durch das Fluid ausgebreitet hat, ohne an der Messrohrwand reflektiert worden zu sein. Dabei dient der erste Empfänger als Referenz, während der zweite Empfänger eine erste Wellengruppe bzw. erste Wellenordnung misst.
In einer Weiterbildung ist wenigstens ein weiterer Empfänger vorgesehen und so an der Messrohrwand angeordnet, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die sich abschnittsweise als Volumenwelle durch das Fluid ausgebreitet hat und dabei wenigstens einmal an der Messrohrwand reflektiert wurde. Dieser Empfänger bzw. diese (mehreren) Empfänger erfassen also eine zweite oder höhere Wellengruppe bzw. Wellenordnung, wobei insbesondere jeder Empfänger durch entsprechende Anordnung am Messrohr jeweils die Wellen genau einer Wellengruppe empfängt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens fünf piezoelektrische Wandler vorgesehen. Auf diese Weise werden drei (oder mehr) Wellengruppen bzw. Wellenordnungen gemessen.
Ein Signalverlauf der Volumenwellen, der sich in Versuchen als besonders günstig herausgestellt hat, ergibt sich dadurch, dass die piezoelektrischen Wandler derart entlang des Messrohrs angeordnet sind, dass zwei in Axialrichtung des Messrohrs aufeinanderfolgende Reflexionsbereiche der Volumenwelle in Umfangsrichtung um weniger als 180° versetzt zueinander angeordnet sind, bevorzugt um etwa 125° bis 130°.
In einer bevorzugten Ausführung sind die piezoelektrischen Wandler derart entlang des im Messabschnitt kreiszylindrischen Messrohrs angeordnet, dass die Volumenwelle im Fluid im Wesentlichen entlang einer Schraubenlinie verläuft. Hierzu sind auch die Wandler auf einer Art Schraubenlinie um die Messrohrwand herum angeordnet. Bei einer solchen helikalen Wellenform werden besonders viele Anteile des Fluids bei der Messung mit einbezogen.
Vorteilhaft ist dabei ein zentraler Bereich des Fluidkanals von der Volumenwelle ausgespart. Dabei entspricht insbesondere der Durchmesser des zentralen Bereichs dem halben Durchmesser des Fluidkanals. Vor allem beim Übergang von turbulenten/instabilen zu laminaren/stabilen Strömungen und umgekehrt oder bei einem asymmetrischen Strömungsprofil kann das Messen des Zentrums zu signifikanten Messfehlern führen. Da instabile Strömungsprofile oftmals direkt hinter Abzweigungen oder Ähnlichem auftauchen, muss bei bekannten Fluidmesseinrichtungen für eine möglichst exakte Messung eine große Einlaufstrecke gewählt werden, so dass die Strömung im Bereich der Messung hauptsächlich wieder als stabilisiertes Strömungsprofil vorliegt. Eine Messung außerhalb des Zentrums ermöglicht daher eine hohe Messgenauigkeit bei geringerer Einlaufstrecke. Somit kann das erfindungsgemäße System z.B. direkt hinter T-Rohrstücken oder abgewinkelten, krummen bzw. gebogenen Rohren angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Messrohr im Messabschnitt im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig und weist Flachseiten auf, an denen die piezoelektrischen Wandler angebracht sind. Hiermit ist sowohl der Innenquerschnitt, also der Querschnitt des Fluidkanals, als auch der Außenquerschnitt des Messrohrs gemeint, wobei die eigentlichen „Ecken“ abgerundet sein können. Natürlich ist auch ein im Wesentlichen quadratischer Querschnitt möglich, wiederum mit abgerundeten Ecken, falls gewünscht.
Eine besonders hohe Messgenauigkeit lässt sich dabei erreichen, wenn sich die piezoelektrischen Wandler über mindestens 90 % der Breite des Fluidkanals erstrecken. Dank der elastisch biegsamen Ausgestaltung der piezoelektrischen Wandler sind hierbei Längen der Wandler von bis zu 80mm oder mehr möglich.
Eine besonders variabel einsetzbare Fluidmesseinrichtung erhält man, wenn zumindest zwei der piezoelektrischen Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger betrieben werden können. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine Messung sowohl in als auch gegen die Durchflussrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:

- 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise transparent, einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung;
- 2 eine teilweise transparente schematische Seitenansicht der Fluidmesseinrichtung aus 1, die den Verlauf einer akustischen Oberflächenwelle veranschaulicht;
- 3A bis 3D verschiedene Querschnittsansichten der Fluidmesseinrichtung aus 2, nämlich entlang der Linien B-B für 3A, C-C für 3B, D-D für 3C und E-E für 3D;
- 4A und 4B eine teilweise transparente Seitenansicht sowie eine Draufsicht auf eine Stirnseite der Fluidmesseinrichtung aus 1, die den Verlauf einer als Referenz dienenden akustischen Oberflächenwelle illustrieren;
- 5A bis 5C eine teilweise transparente Seitenansicht, eine Draufsicht auf eine Stirnseite sowie eine Draufsicht auf eine Unterseite der Fluidmesseinrichtung aus 1, die den Verlauf einer ersten Wellengruppe einer Volumenwelle illustrieren;
- 6A bis 6C eine teilweise transparente Seitenansicht, eine Draufsicht auf eine Stirnseite sowie eine Draufsicht auf eine Unterseite der Fluidmesseinrichtung aus 1, die den Verlauf einer ersten und einer zweiten Wellengruppe der Volumenwelle illustrieren;
- 7A bis 7C eine teilweise transparente Seitenansicht, eine Draufsicht auf eine Stirnseite sowie eine Draufsicht auf eine Unterseite der Fluidmesseinrichtung aus 1, die den Verlauf einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wellengruppe der Volumenwelle illustrieren;
- 8 eine perspektivische Ansicht, teilweise transparent, einer Variante der Fluidmesseinrichtung aus 1;
- 9 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Wandlers für eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung;
- 10 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung während der Montage der piezoelektrischen Wandler;
- 11 eine perspektivische Ansicht der Fluidmesseinrichtung aus 10 nach erfolgter Montage der piezoelektrischen Wandler;
- 12 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung während der Montage der piezoelektrischen Wandler;
- 13 eine perspektivische Ansicht, teilweise transparent, der Fluidmesseinrichtung aus 12;
- 14 eine Teillängsschnittansicht eines Messrohrs mit zwei piezoelektrischen Wandlern, die insbesondere bei der Fluidmesseinrichtung der 1 bis 8 zum Einsatz kommen; und
- 15 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines piezoelektrischen Wandlers für eine erfindungsgemäße Fluidmesseinrichtung.

Die 1 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Fluidmesseinrichtung 10. 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 Messrohrs 12 dient als Messabschnitt 20, in dem ein Bereich einer Messrohrwand 22 als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen OW ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid F bildet.
Dabei weist das Messrohr 12 beispielsweise, dies ist nicht einschränkend zu verstehen, im Messabschnitt 20 einen zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen Querschnitt auf und ist auch innenseitig kreiszylindrisch ausgeführt.
Auf der Außenseite des Messrohrs 12 sind insgesamt fünf piezoelektrische Wandler 24a, 24b, 24c, 24d, 24e in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der Messrohrwand 22 (und damit des Wellenleiters) voneinander beabstandet angeordnet. Die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e sind auf die Messrohrwand 22 aufgeklebt.
Um sich flächig an die Krümmung des Messrohrs 12 anzupassen, ohne dass eine Abflachung des Messrohrs 12 durch Fräsverfahren nötig wäre, sind die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e unter Beibehaltung ihrer Funktion elastisch biegsam ausgebildet, indem sie mehrere parallel zueinander angeordnete, streifenförmige und für sich genommen starre Piezoelemente 26 aufweisen, zwischen denen jeweils eine Schicht 28 aus einem elastischen Material angeordnet ist (siehe insbesondere den vergrößerten Ausschnitt in 2).
Dabei sind die streifenförmigen Piezoelemente 26 z.B. etwa vier- bis fünfmal so breit (in Längsrichtung der in 2 eigezeichneten Länge I gemessen) wie die Schichten 28 aus elastischem Material, bei dem es sich um ein Elastomer oder Vergussmasse handelt.
In einem nicht gebogenen Zustand der piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e bilden die streifenförmigen starren Piezoelemente 26 und die dazwischen angeordneten Schichten 28 aus elastischem Material im Wesentlichen einen Quader 30, dessen Länge I hier ungefähr das Dreifache seiner Breite b beträgt, während die Höhe h des Quaders 30 etwa ein Zehntel der Breite b ausmacht (siehe auch 9). Bei der gezeigten Ausgestaltung beträgt die Länge I des Quaders 30 zwischen 5 mm und 15 mm.
Hierbei wechseln sich die streifenförmigem starren Piezoelemente 26 und die dazwischen angeordneten Schichten 28 aus elastischem Material in Längsrichtung des Quaders 30 gesehen ab und jedes der streifenförmigem starren Piezoelemente 26 erstreckt sich über die gesamte Breite b des Quaders 30.
Darüber hinaus weist jeder piezoelektrische Wandler 24a bis 24e eine elastische Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie auf, auf deren Darstellung in den 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber verzichtet wurde. Diesbezüglich wird auf die Darstellung der 9 verwiesen, die einen piezoelektrischen Wandler 24a zeigt, der bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung 10 zum Einsatz kommt. Eine entsprechende elastische Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie ist auch bei den Wandlern 24a bis 24e der 1 und 2 vorgesehen.
An der Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie sind die streifenförmigen Piezoelemente 26 befestigt und elektrisch kontaktiert, wozu jeweils zwei Elektroden 34a, 34b vorgesehen sind, die auf der elastischen Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie angebracht sind.
Die beiden Elektroden 34a, 34b sind so angeordnet, dass eine vom jeweiligen Wandler 24a bis 24e ausgesandte bzw. empfangene akustische Welle über die längste Seite S des piezoelektrischen Wandlers 24a bis 24e in das Messrohr 12 aus- bzw. einkoppelt.
14 zeigt beispielhaft die Anordnung zweier piezoelektrischer Wandler 24a und 24b an der Messrohrwand 22, wobei hier aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Anordnung der beiden Wandler 24a, 24b parallel zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 gezeigt ist. Dabei dient der Wandler 24a als Sender und der Wandler 24b als Empfänger der akustischen Oberflächenwellen OW, und es wurde auf die Darstellung der elastischen Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie verzichtet. Die beiden piezoelektrischen Wandler 24a und 24b sind über eine Kleberschicht 35 an der Messrohrwand 22 befestigt.
Wie aus der Figur hervorgeht, liegt gegenüber jeder der Elektroden 34a und 34b, die auf der dem Messrohr 12 abgewandten Seite der Piezoelemente 26 der Wandler 24a bzw. 24b angeordnet sind, eine weitere Elektrode 34a' bzw. 34b', die auf der dem Messrohr 12 zugewandten Seite der Piezoelemente 26 angeordnet ist. Dabei bilden die Elektroden 34a und 34a' bzw. die Elektroden 34b und 34 b' jedes Wandlers 24a bzw. 24b je ein Elektrodenpaar.
Im Betrieb der piezoelektrischen Wandler 24a, 24b liegt zwischen der ersten Elektrode 34a bzw. 34b und der zugehörigen zweiten Elektrode 34a' bzw. 34b des jeweiligen Elektrodenpaares eine Wechselspannung an. Zudem sind die beiden ersten Elektroden 34a und 34b sowie die beiden zweiten Elektroden 34a' und 34b' der verschiedenen Elektrodenpaare kurzgeschlossen, so dass im Betrieb die Piezoelemente 26 an den Stellen, an denen die Elektrodenpaare anliegen, gleichphasig in einer Art Biegeschwingung schwingen und dadurch die akustischen Oberflächenwellen OW erzeugen, die sich in der Messrohrwand 22 ausbreiten.
Wie zudem auch 2 entnommen werden kann, verlaufen sämtliche Elektroden 34a, 34a', 34b, 34b' parallel zu einer Längsachse Lw des jeweiligen piezoelektrischen Wandlers 24a bis 24e, wobei die beiden Elektrodenpaare unterschiedliche Abstände von der Längsachse Lw aufweisen. Dabei ist das eine Elektrodenpaar 34a, 34a' in einem Randbereich und das andere Elektrodenpaar 34b, 34b' in einem mittleren Bereich des jeweiligen piezoelektrischen Wandlers 24a bis 24e angeordnet.
So erhält man eine asymmetrische Ausbreitung der vom piezoelektrischen Wandler 24a ausgesandten Oberflächenwellen OW, wobei auf der (längsten) Seite S des Wandlers 24a, an der kein Elektrodenpaar direkt angeordnet ist (also in der gewünschten Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen OW), eine um bis zu 50% größere Amplitude erzielt wird als auf der gegenüberliegenden (längsten) Seite. Wie insbesondere aus den 1 und 7B ersichtlich ist, liegen die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e jeweils an einem gekrümmten Abschnitt der Messrohrwand 22 flächig an und sind bezogen auf ihre Mittellinie M unter einem spitzen Winkel θ_a, θ_b, θ_c, θ_d, θ_e zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 angeordnet. Die Mittellinie M verläuft dabei senkrecht zur längsten Seite I des Quaders 30 und damit parallel zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen OW.
Es ist zu beachten, dass jeder piezoelektrische Wandler 24a bis 24e einen unterschiedlichen spitzen Winkel θ_a, θ_b, θ_c, θ_d, θ_e mit der Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 einschließt (1).
Dank ihres Aufbaus aus streifenförmigen starren Piezoelementen 26 mit dazwischen angeordneten flexiblen Schichten 28 sind die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e auch zu einem gewissen Grad in sich verdrehbar, was eine ideale Anpassung an die Krümmung der Messrohrwand 22 bei Anordnung schräg zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 ermöglicht.
Zudem sind die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e in Umfangsrichtung U und in Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 versetzt zueinander angeordnet.
Im Fall, dass die Messung charakteristischer Eigenschaften des Fluids F im Fluidkanal 18 in Durchflussrichtung erfolgt, dient der Wandler 24a als Sender zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter, während die übrigen Wandler 24b, 24c, 24d, 24e als Empfänger zum Empfangen von akustischen Wellen dienen.
Um nun bestimmte Eigenschaften des Fluids F im Inneren des Fluidkanals 18 zu messen, regt der Sender 24a akustische Oberflächenwellen OW im Bereich der Messrohrwand 22 direkt unterhalb des Senders 24a an. Diese Oberflächenwellen OW verlaufen entlang der als Wellenleiter dienenden Messrohrwand 22 aufgrund der Ausrichtung der Wandler 24a und 24b zueinander sowie in Bezug auf das Messrohr 12 hauptsächlich in Richtung zum ersten Empfänger 24b und werden dort detektiert. Der erste Empfänger 24b empfängt also ein Referenzsignal, das direkt durch die Messrohrwand 22 übertragen wird (siehe hierzu insbesondere 4A).
Aufgrund der direkten Grenzfläche des Fluids F zur Messrohrwand 22 wird (ausgehend vom Sender 24a) ein Teil der Energie der akustischen Oberflächenwellen OW an der inneren Oberfläche des Messrohrs 12 an der Grenzfläche zum Fluid F ausgekoppelt und verläuft von dort unter einem spezifischen Ausbreitungswinkel α (bezogen auf eine Flächennormale der Messrohrwand 22) als Volumenwelle V durch das Fluid.
Wenn sich das Fluid F im Messrohr 12 nicht bewegt, ergibt sich der Einstrahlwinkel α der Volumenwelle V in das Fluid F hinein aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit c_f im Fluid F zur Schallgeschwindigkeit c_w der Oberflächenwelle OW in der Messrohrwand 22 zu $α = arcsin (c_{f} {/c}_{w}) .$
Der Winkel α ergibt sich also aus der „Materialpaarung“, wobei die Schallgeschwindigkeit c_w in der Messrohrwand höher sein muss als die Schallgeschwindigkeit c_f im Fluid F, damit sich ein von Null verschiedener Wert ergibt, unter dem die Oberflächenwelle OW in das Fluid F einkoppelt und in diesem als Volumenwelle V eine räumliche Distanz zurücklegt. Zu den Oberflächenwellen zählen unter anderem LAMB-Wellen, Rayleigh-Wellen oder Leaky-Rayleigh-Wellen, die hier verwendet werden.
Die Volumenwelle V trifft dann im Bereich des als zweiter Empfänger dienenden Wandlers 24c auf die Messrohrwand 22, wobei ein Teil ihrer Energie als akustische Oberflächenwelle in das Messrohr 12 eingekoppelt und vom zweiten Empfänger 24c detektiert wird. Der zweite Empfänger 24c ist folglich so an der Messrohrwand 22 angeordnet, dass er das Signal dieser ersten Wellengruppe bzw. ersten Wellenordnung der Volumenwelle V detektiert, die sich unmittelbar vom Sender 24a durch das Fluid F ausgebreitet hat, ohne an der Messrohrwand 22 reflektiert worden zu sein (siehe insbesondere 5 A-C).
Ein Teil der Energie der Volumenwelle V wird auch an der Messrohrwand 22 reflektiert und trifft anschließend im Bereich des Wandlers 24d erneut auf die Messrohrwand 22. Wieder koppelt ein Teil der Energie der Volumenwelle V als akustische Oberflächenwelle in das Messrohr 12 ein und wird vom dritten Empfänger 24d detektiert, der somit ein Signal der zweiten Wellengruppe bzw. Wellenordnung der Volumenwelle V empfängt, die einmal an der Messrohrwand 22 reflektiert wurde. Auf diese Weise pflanzt sich die Volumenwelle V durch das Fluid F fort (vgl. 6A-C).
Der verbliebene Anteil der Volumenwelle V wird wieder reflektiert und trifft schließlich im Bereich des als vierter Empfänger dienenden Wandlers 24e auf die Messrohrwand 22, wo wieder ein Teil der Energie als akustische Oberflächenwelle in das Messrohr 12 einkoppelt. Dies wird vom vierten Empfänger 24e als dritte Wellengruppe bzw. Wellenordnung der Volumenwelle V registriert, die sich durch das Fluid F ausgebreitet hat und dabei zweimal an der Messrohrwand 22 reflektiert wurde, wie insbesondere den 7A-C zu entnehmen ist.
Aus der Laufzeitverzögerung zwischen einem vom Sender 24a ausgesandten Wellenpuls und den bei den Empfängern 24b bis 24e eingehenden Signalen sowie deren Intensität und Zeitverlauf lassen sich Rückschlüsse auf Eigenschaften des Fluids F wie dessen Konzentration, Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Temperatur und Homogenität ziehen.
Wie insbesondere in 7B zu erkennen ist, sind die piezoelektrischen Wandler 24a, 24c, 24d und 24e so entlang des Messrohrs 12 angeordnet, dass zwei in Axialrichtung bzw. Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 aufeinanderfolgende Reflexionsbereiche der Volumenwelle V in Umfangsrichtung U um etwa 125° bis 130° versetzt zueinander angeordnet sind.
Natürlich können auch mehr piezoelektrische Wandler vorgesehen sein, damit noch weitere Wellengruppen bzw. -ordnungen gemessen werden können. Allerdings ist zu beachten, dass das Signal bei jedem weiteren Empfänger immer schwächer wird.
Bei der Ausgestaltung der 1 bis 7C sind die piezoelektrischen Wandler 24a bis 24e derart entlang des kreiszylindrischen Messrohrs 12 angeordnet, dass die Volumenwelle V im Fluid F im Wesentlichen entlang einer Schraubenlinie verläuft.
Wie aus den 3A-D ersichtlich ist, die verschiedene Querschnitte durch das Messrohr 12 im Bereich der ersten Wellengruppe der Volumenwelle V zeigen, ergibt sich bei den im Fluid F erzeugten Volumenwellen V, die in den 3A-C angedeutet sind, eine Aussparung eines zentralen Bereichs 36 des Fluidkanals 18, so dass keine Messung des Fluids F in diesem zentralen Bereich 36 des Fluidkanals 18 stattfindet. Dabei ist der Durchmesser des von der Messung ausgesparten zentralen Bereichs 36 etwa halb so groß wie der gesamte Durchmesser D des Fluidkanals 18. Die um den zentralen Bereich 36 herum gelegenen Bereiche werden dagegen vollständig erfasst. In Messungen und Simulationen hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die besten Messergebnisse erzielt werden.
Aus einer Überlagerung der 3A-C ergibt sich die 3D, in der die helikale Wellenform der Volumenwelle V im Fluid F sowie die Aussparung des zentralen Bereichs 36 erkennbar ist.
In den 3A-C ist zudem erkennbar, dass die Messrohrwand 22 im gesamten Messabschnitt 20 eine konstante Wandstärke d aufweist.
Zumindest die Wandler 24a und 24e können sowohl als Sender als auch als Empfänger betrieben werden, so dass neben einer Messung in Durchflussrichtung, wie sie bisher beschrieben wurde, auch eine Messung entgegen der Durchflussrichtung möglich ist. Wird entgegen der Durchflussrichtung gemessen, ist der Wandler 24e der Sender, Wandler 24d der erste Empfänger, Wandler 24c der zweite Empfänger, Wandler 24a der dritte Empfänger und Wandler 24b weiterhin der Empfänger für die Oberflächenwelle OW, der als Referenz dient.
8 zeigt eine leicht abgewandelte Fluidmesseinrichtung 10, die sich von derjenigen der 1 bis 7 lediglich dahingehend unterscheidet, dass angrenzend an den Messabschnitt 20 am Messrohr 12 ein erstes Paar Flansche 38 zur Anbringung eines in den 8 nicht gezeigten Sensorgehäuses mit Auswertelektronik, sowie ein zweites Paar Flansche 40 zur Integration der Fluidmesseinrichtung 10 in ein Rohrnetzwerk vorgesehen sind.
Die 10 und 11 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung 10, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und im Folgenden nur auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Ausführungsform eingegangen wird.
Bei der Fluidmesseinrichtung 10 gemäß den 10 und 11 ist das Messrohr 12 in Messabschnitt 20 im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig, wobei die Ecken leicht abgerundet sind. Das Messrohr 12 weist also insgesamt vier Flachseiten 42 auf, an denen die piezoelektrischen Wandler angebracht sind.
Bei dieser Ausgestaltung sind zwei Wandler 24a und 24b auf der in den 10 und 11 obenliegenden Flachseite 42 vorgesehen sowie ein Wandler 24c an der in den Figuren nicht sichtbaren unteren Flachseite 42.
Sämtliche Wandler 24a bis 24c sind mit ihrer Mittellinie M parallel zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 angeordnet und erstrecken sich über mindestens 90% der Breite des Fluidkanals 18, hier sogar über dessen gesamte Breite.
Bei dieser Ausführungsform beträgt die Länge I der Wandler 24a bis 24c in etwa das Sechsfache ihrer Breite b (siehe 9). Die Wandler 24a bis 24c sind etwa 80 mm lang und, da sie an den Flachseiten 42 des Messrohrs 12 anliegen, im Einbauzustand nicht gebogen.
Bei der Montage der Wandler 24a bis 24c wird zunächst der Quader 30 aus den streifenförmigen starren Piezoelementen 26 und den dazwischen angeordneten Schichten 28 aus elastischem Material auf die Messrohrwand 22 aufgeklebt (10) und anschließend die Leiterplatte 32 bzw. Leiterplattenfolie samt der Elektroden 34a, 34b darauf befestigt (11), was im Übrigen auch für die zuvor beschriebene Ausführungsform gilt.
Die 12 und 13 zeigen eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung 10, die sich von der Ausführungsform der 10 und 11 lediglich durch die Anzahl und Anordnung der piezoelektrischen Wandler unterscheidet.
Hier sind drei piezoelektrische Wandler 24a bis 24c, die mit ihrer Mittellinie M parallel zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 angeordnet sind, mit zwei schräg zur Längserstreckungsrichtung L_M des Messrohrs 12 an der Messrohrwand 22 angeordneten Wandlern 24d und 24e kombiniert, wodurch eine schraubenlinienähnliche Ausbreitung der Volumenwelle im Fluid F erzielt wird.
15 schließlich zeigt eine alternative Ausgestaltung eines piezoelektrischen Wandlers 24a, der anstelle der in den übrigen Figuren gezeigten Wandler 24a bis 24e Verwendung finden kann.
Beim piezoelektrischen Wandler 24a der 15 wechseln sich die streifenförmigen starren Piezoelemente 26 und die dazwischen angeordneten Schichten 28 aus elastischem Material sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Quaders 30 gesehen ab. Dadurch ergibt sich ein Aufbau aus dünnen, plättchenartigen Piezoelementen 26, die eine längliche Gestalt haben und durch ein Gitter aus elastischem Material voneinander getrennt sind, wodurch eine verbesserte Biegsamkeit erreicht wird.
Natürlich sind auch noch andere Anordnungen der piezoelektrischen Wandler als in den Figuren gezeigt möglich; insbesondere Kombinationen aus schräg angeordneten flexiblen Wandlern mit aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen sind denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019110514 A1 [0003]

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 (22) als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen (OW) ausgebildet ist, der eine Grenzfläche zum Fluid (F) bildet, und wenigstens zwei piezoelektrischen Wandlern (24a, 24b, 24c, 24d, 24e), die in unmittelbarem Kontakt mit einer äußeren Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sind, von denen einer als Sender (24a) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens einer als Empfänger (24b, 24c, 24d, 24e) zum Empfangen von akustischen Wellen dient, wobei durch den Sender angeregte akustische Wellen sich wenigstens abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausbreiten können, und wobei die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) unter Beibehaltung ihrer Funktion elastisch biegsam ausgebildet sind, indem die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) mehrere parallel zueinander angeordnete, streifenförmige und für sich genommen starre Piezoelemente (26) aufweisen, zwischen denen jeweils eine Schicht (28) aus einem elastischen Material angeordnet ist.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) auf die Messrohrwand (22) aufgeklebt sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elastischen Material um ein Elastomer oder Vergussmasse handelt.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen starren Piezoelemente (26) und die dazwischen angeordneten Schichten (28) aus elastischem Material in einem nicht gebogenen Zustand im Wesentlichen einen Quader (30) bilden, insbesondere wobei die Länge (I) des Quaders (30) maximal das Zehnfache seiner Breite (b) beträgt und die Höhe (h) etwa ein Zehntel der Breite (b).
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die streifenförmigen starren Piezoelemente (26) und die dazwischen angeordneten Schichten (28) aus elastischem Material in Längsrichtung des Quaders (30) gesehen abwechseln und sich jedes der streifenförmigen starren Piezoelemente (26) über die gesamte Breite (b) des Quaders (30) erstreckt.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die streifenförmigen starren Piezoelemente (26) und die dazwischen angeordneten Schichten (28) aus elastischem Material sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Quaders (30) gesehen abwechseln.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) eine elastische Leiterplatte (32) oder Leiterplattenfolie aufweisen, an der die streifenförmigen Piezoelemente (26) befestigt und elektrisch kontaktiert sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) jeweils zwei Elektroden (34a, 34b) aufweisen, die auf der elastischen Leiterplatte (32) bzw. Leiterplattenfolie angebracht und insbesondere so angeordnet sind, dass die akustische Welle über die längste Seite (S) des piezoelektrischen Wandlers (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) in das Messrohr (12) gekoppelt bzw. aus diesem empfangen wird.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) wenigstens ein Elektrodenpaar aufweist, wobei eine erste Elektrode (34a, 34b) des Elektrodenpaares an einer dem Messrohr (12) abgewandten Seite der Piezoelemente (26) und die zweite Elektrode (34a', 34b') des Elektrodenpaares an einer dem Messrohr (12) zugewandten Seite der Piezoelemente (26) sowie der ersten Elektrode (34a, 34b) gegenüberliegend angeordnet ist und wobei im Betrieb des piezoelektrischen Wandlers (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) zwischen der ersten Elektrode (34a, 34b) und der zweiten Elektrode (34a', 34b') des Elektrodenpaares eine Spannung anliegt.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) wenigstens zwei Elektrodenpaare aufweist, insbesondere wobei die auf derselben Seite der Piezoelemente (26) angeordneten Elektroden (34a, 34b, 34a', 34b') verschiedener Elektrodenpaare kurzgeschlossen sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Elektroden (34a, 34b, 34a', 34b') parallel zu einer Längsachse (Lw) des piezoelektrischen Wandlers (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) verlaufen und zumindest zwei Elektrodenpaare unterschiedliche Abstände von der Längsachse (Lw) aufweisen, insbesondere wobei ein Elektrodenpaar in einem Randbereich und ein Elektrodenpaar in einem mittleren Bereich des piezoelektrischen Wandlers (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) angeordnet ist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrohrwand (22) im gesamten Messabschnitt (20) eine im Wesentlichen konstante Wandstärke (d) aufweist.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) innenseitig zylindrisch ausgebildet ist und wenigstens drei piezoelektrische Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) vorgesehen sind, von denen einer als Sender (24a) zum Anregen von akustischen Wellen im Wellenleiter und wenigstens zwei als Empfänger (24b, 24c, 24d, 24e) zum Empfangen von akustischen Wellen dienen, wobei die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) an der Messrohrwand (22) flächig anliegen und wobei die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) bezogen auf ihre Mittellinie (M) jeweils unter einem spitzen Winkel (θ_a, θ_b, θ_c, θ_d, θ_e) zur Längserstreckungsrichtung (L_M) des Messrohrs (12) und zudem in Umfangsrichtung (U) und in Längserstreckungsrichtung (L_M) des Messrohrs (12) versetzt zueinander angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e), bezogen auf ihre jeweilige Mittellinie (M), unter verschiedenen spitzen Winkeln (θ_a, θ_b, θ_c, θ_d, θ_e) zur Längserstreckungsrichtung (L_M) des Messrohrs (12) angeordnet sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Empfänger (24b) so an der Messrohrwand (22) angeordnet ist, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die direkt über die als Wellenleiter dienende Messrohrwand (22) übertragen wird, und dass ein zweiter Empfänger (24c) so an der Messrohrwand (22) angeordnet ist, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die sich abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausgebreitet hat, ohne an der Messrohrwand (22) reflektiert worden zu sein.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Empfänger (24d, 24e) vorgesehen und so an der Messrohrwand (22) angeordnet ist, dass er das Signal einer akustischen Welle empfängt, die sich abschnittsweise als Volumenwelle (V) durch das Fluid (F) ausgebreitet hat und dabei wenigstens einmal an der Messrohrwand (22) reflektiert wurde.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens fünf piezoelektrische Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) vorgesehen sind.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) derart entlang des Messrohrs (12) angeordnet sind, dass zwei in Längserstreckungsrichtung (L_M) des Messrohrs (12) aufeinanderfolgende Reflexionsbereiche der Volumenwelle (V) in Umfangsrichtung (U) um weniger als 180° versetzt zueinander angeordnet sind, bevorzugt um etwa 125° bis 130°.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) derart entlang des im Messabschnitt (20) kreiszylindrischen Messrohrs (12) angeordnet sind, dass die Volumenwelle (V) im Fluid (F) im Wesentlichen entlang einer Schraubenlinie verläuft.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Bereich (36) des Fluidkanals (18) von der Volumenwelle (V) ausgespart ist, insbesondere wobei der Durchmesser des zentralen Bereichs (36) dem halben Durchmesser (D) des Fluidkanals (18) entspricht.
Fluidmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (12) im Messabschnitt (20) im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ist und Flachseiten (42) aufweist, an denen die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) angebracht sind.
Fluidmesseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich die piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) über mindestens 90% der Breite des Fluidkanals (18) erstrecken.
Fluidmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der piezoelektrischen Wandler (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sowohl als Sender als auch als Empfänger betrieben werden können.