DE102022120723A1

DE102022120723A1 - Koppelkörper und Ultraschall-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102022120723A1
Application number: DE102022120723.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Berger; Sascha Grunwald; Beat Kissling; Quirin Müller; Pierre Ueberschlag; Roberto Vitali; Achim Wiest
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Koppelkörper (10) für ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) eingerichtet zum Übertragen von Ultraschallsignalen zwischen einem Ultraschallwandler und einem Messrohr (21) oder einer Rohrleitung (22),wobei der Koppelkörper Folgendes aufweist:- eine erste, mit einem Messrohr oder Rohrleitung zu kontaktierende Seite (11.1) mit einer ebenen Grundfläche (12.1) und einer Kontaktierfläche (12.2) zum Herstellen eines akustischen und mechanischen Kontakts zwischen Koppelkörper und Messrohr oder Rohrleitung,- eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite (11.2) mit einer Tragfläche (13), welche dazu eingerichtet ist, einen Ultraschallwandler (30) zu tragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierfläche Bestandteil einer Stirnfläche (14.1) eines aus der Grundfläche hervorstehenden Stegs (14) ist, welcher Steg entlang eines Längsschnitts (L) durch den Koppelkörper verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Koppelkörper eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts sowie ein solches Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräte sind bekannter Stand der Technik, siehe z.B. die DE102020116181A1 , dabei werden Ultraschallwandler mit einer Außenseite eines Messrohrs / Rohrleitung akustisch gekoppelt, wobei üblicherweise Koppelkörper Ultraschallsignale zwischen Messrohr / Rohrleitung und Ultraschallwandler übertragen.
Zur Verbesserung der akustischen Kopplung zwischen Koppelkörper und Messrohr werden häufig Pasten oder Metallfolien verwendet, um Unebenheiten von Kontaktoberflächen auszugleichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies nicht immer hinreichend gelingt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kopplung zwischen Koppelkörpern und Messrohr bzw. Rohrleitung zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Koppelkörper gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 7.
Ein erfindungsgemäßer Koppelkörper für ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät eingerichtet zum Übertragen von Ultraschallsignalen zwischen einem Ultraschallwandler und einem Messrohr oder einer Rohrleitung weist Folgendes auf:

- eine erste, mit einem Messrohr oder Rohrleitung zu kontaktierende Seite mit einer ebenen Grundfläche und einer Kontaktierfläche zum Herstellen eines akustischen und mechanischen Kontakts zwischen Koppelkörper und Messrohr oder Rohrleitung,
- eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite mit einer Tragfläche, welche dazu eingerichtet ist, einen Ultraschallwandler zu tragen,

Durch Einrichtung eines Stegs kann die Kontaktierfläche gegenüber herkömmlichen Koppelkörpern reduziert und ein Anpressdruck bei gleicher Anpresskraft bedeutend erhöht werden. Auf diese Weise lässt sich eine akustische Kopplung zwischen Koppelkörpern und Messrohr / Rohrleitung verbessern. Es werden auf diese Weise ohne Probleme Werte von über 5N/mm^2 erreicht.
In einer Ausgestaltung ist die Stirnfläche des Stegs in einem Querschnitt durch den Koppelkörper konvex geformt und weist beispielsweise einen Krümmungsradius auf, wobei der Krümmungsradius größer als 20 mm, und insbesondere größer als 30 mm, und bevorzugt größer als 40 mm, und kleiner als 150 mm, uns insbesondere kleiner als 120 mm und bevorzugt kleiner als 100 mm ist.
Durch eine konvexe Oberfläche wird bei gegebener Anpresskraft ein lokal erhöhter Anpressdruck erreicht. Ein weiterer positiver Effekt der konvexen Oberfläche ist, dass auch bei einer unbemerkten leichten Verkippung des Sensors eine gute Kopplung erreicht wird.
In einer Ausgestaltung weist der Steg bzgl. der Grundfläche eine maximale Höhe H auf, wobei H größer als 0.5 mm, und insbesondere größer als 0.7 mm und bevorzugt größer als 0.9 mm und kleiner 10 mm und insbesondere kleiner als 7 mm und bevorzugt kleiner als 5 mm ist.
Durch einen Mindestwert der maximalen Höhe kann ein akustischer Kurzschluss zwischen Grundfläche und Messrohr bzw. Rohrleitung beispielsweise durch Staubteilchen ausgeschlossen werden. Durch einen Maximalwert der maximalen Höhe werden unerwünschte akustische Eigenschaften des Stegs wie beispielsweise Wellenleitereigenschaften vermieden.
In einer Ausgestaltung weist der Steg in einem Querschnitt eine Breite B von höchstens 15 mm und insbesondere höchstens 12 mm und bevorzugt höchstens 10 mm auf.
Auf diese Weise wird ein Anpressdruck bei gegebener Anpresskraft gegenüber herkömmlichen Koppelkörpern ausreichend erhöht. Zusätzlich kann die Breite B des Stegs auf diese Weise kleiner als ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Außenfläche der Rohrleitung bzw. des Messrohrs ausgestaltet werden, durch welche Bearbeitung die Außenfläche abschnittsweise flach ausgestaltet wird.
In einer Ausgestaltung weist der Koppelkörper eines der folgenden Materialien auf:

Ein bis zumindest 550 °C temperaturbeständiges Material wie beispielsweise ein Stahl, und insbesondere Stahl der Kennnummer 1.4404.

In einer Ausgestaltung sind die Grundfläche und der Steg achsensymmetrisch bzgl. eines Längsschnitts durch den Koppelkörper.
Auf diese Weise werden störende Drehmomente beim Vermitteln einer Anpresskraft vermindert.
Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfasst:

- zumindest ein Paar Ultraschallwandler zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen,
- für jeden Ultraschallwandler jeweils einen erfindungsgemäßen Koppelkörper, wobei die Ultraschallwandler jeweils an einer Schalleinstrahlfläche eines zugehörigen Koppelkörpers angeordnet sind, wobei die Koppelkörper an der Rohrleitung oder einem in der Rohrleitung angeordneten Messrohr des Durchflussmessgeräts angeordnet sind,
- eine Befestigungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Koppelkörper am Messrohr oder der Rohrleitung zu befestigen,
- eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, die Ultraschallwandler zu betreiben, Messsignale der Ultraschallwandler auszuwerten und Messwerte einer Messgröße bereitzustellen.

In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallwandler in einem Längsschnitt durch den Steg eine Ultraschallwandlerausdehnung auf, wobei ein Abbild der Ultraschallwandlerausdehnung auf die zweite Seite per geometrischer Akustik entlang einer Ultraschallsignalausbreitung im Koppelkörper eine Abbildausdehnung LA aufweist,
wobei der Steg eine Steglänge LS aufweist, wobei die Steglänge LS größer ist als die Abbildausdehnung LA, wobei die Ultraschallwandlerausdehnung per geometrischer Akustik entlang des Längsschnitts vollständig auf die Kontaktierfläche abgebildet wird.
Somit wird ein Ultraschallsignal ausgehend vom Ultraschallwandler längs der Kontaktierfläche im Wesentlichen vollständig vom Steg erfasst.
In einer Ausgestaltung weist das Messrohr oder die Rohrleitung zumindest eine plane Koppelfläche auf,
gegen welche zumindest eine Koppelfläche die Stege der Koppelkörper mittels der Befestigungsvorrichtung gepresst sind, wobei die Kontaktierfläche eines Koppelelements vollständig von einer zugehörigen Koppelfläche umfasst ist.
Somit wird ein Ultraschallsignal ausgehend vom Ultraschallwandler längs der Kontaktierfläche im Wesentlichen vollständig eingekoppelt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 skizziert ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät;
2 a) skizziert eine Frontansicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen Koppelkörpers des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts, und 2 b skizziert eine Seitenansicht des Koppelkörpers.

1 skizziert ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums mit zwei Ultraschallwandlern 30 eines Ultraschallwandlerpaars, zwei beispielhaften erfindungsgemäßen Koppelkörpern 10, welche Koppelkörper jeweils einen Ultraschallwandler tragen, und einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 50 welche dazu eingerichtet ist, die Ultraschallwandler zu betreiben, Messsignale der Ultraschallwandler auszuwerten und Messwerte einer Messgröße bereitzustellen. Die Koppelkörper sind dabei an einer medienführenden Rohrleitung 22 oder an einem in eine solche Rohrleitung integrierten Messrohr 21 mittels einer Befestigungsvorrichtung 40 befestigt. Alternativ wie hier gezeigt, können auch mehrere Ultraschallwandlerpaare am Messrohr / an der Rohrleitung angeordnet sein. Die räumliche Anordnung wie hier gezeigt ist rein beispielhaft.
2 a) zeigt eine schematische Frontansicht auf einen Koppelkörper, wobei der Ultraschallwandler 30 auf einer Schalleinstrahlfläche 18 auf einer zweiten Seite 11.2 des Koppelkörpers angebracht ist. Auf einer der zweiten Seite gegenüberliegenden ersten Seite 11.1 des Koppelkörpers 10 weist der Koppelkörper eine Grundfläche 12.1 auf, aus welcher erfindungsgemäß ein Steg 14 mit einer Stirnfläche 14.1 hervorragt.
In einer Ausgestaltung ist die Stirnfläche des Stegs in einem Querschnitt durch den Koppelkörper konvex geformt und weist beispielsweise einen Krümmungsradius auf, wobei der Krümmungsradius größer als 20 mm, und insbesondere größer als 30 mm, und bevorzugt größer als 40 mm, und kleiner als 150 mm, uns insbesondere kleiner als 120 mm und bevorzugt kleiner als 100 mm ist.
Durch eine konvexe Oberfläche wird bei gegebener Anpresskraft ein lokal erhöhter Anpressdruck erreicht. Ein weiterer positiver Effekt der konvexen Oberfläche ist, dass auch bei einer unbemerkten leichten Verkippung des Sensors eine gute Kopplung erreicht wird.
In einer Ausgestaltung weist der Steg bzgl. der Grundfläche eine maximale Höhe H auf, wobei H größer als 0.5 mm, und insbesondere größer als 0.7 mm und bevorzugt größer als 0.9 mm und kleiner 10 mm und insbesondere kleiner als 7 mm und bevorzugt kleiner als 5 mm ist.
Durch einen Mindestwert der maximalen Höhe kann ein akustischer Kurzschluss zwischen Grundfläche und Messrohr bzw. Rohrleitung beispielsweise durch Staubteilchen ausgeschlossen werden. Durch einen Maximalwert der maximalen Höhe werden unerwünschte akustische Eigenschaften des Stegs wie beispielsweise Wellenleitereigenschaften vermieden.
In einer Ausgestaltung weist der Steg in einem Querschnitt eine Breite B von höchstens 15 mm und insbesondere höchstens 12 mm und bevorzugt höchstens 10 mm auf.
Auf diese Weise wird ein Anpressdruck bei gegebener Anpresskraft gegenüber herkömmlichen Koppelkörpern ausreichend erhöht. Zusätzlich kann die Breite B des Stegs auf diese Weise kleiner als ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Außenfläche der Rohrleitung bzw. des Messrohrs ausgestaltet werden, durch welche Bearbeitung die Außenfläche abschnittsweise flach ausgestaltet wird.
2 b) zeigt eine Queransicht auf den in 2 a) gezeigten Koppelkörper. Der Ultraschallwandler weist in einem Längsschnitt durch den Steg 14 eine Ultraschallwandlerausdehnung 31 aufweist, wobei ein Abbild der Ultraschallwandlerausdehnung auf die zweite Seite per geometrischer Akustik entlang einer Ultraschallsignalausbreitung im Koppelkörper eine Abbildausdehnung LA aufweist, wobei der Steg eine Steglänge LS aufweist, wobei die Steglänge LS größer ist als die Abbildausdehnung LA, wobei die Ultraschallwandlerausdehnung per geometrischer Akustik entlang des Längsschnitts vollständig auf die Kontaktierfläche 12.2 abgebildet wird.
Das gezeigte Koppelkörperdesign hier ist rein beispielhaft, ein Signalweg eines Ultraschallsignals kann bis zum Steg beispielsweise auch eine oder mehrere Reflektionen an Grenzflächen Koppelkörper - Luft erfahren.
3 zeigt schematisch einen Abschnitt einer Oberfläche des Messrohrs / der Rohrleitung. Das Messrohr 21 bzw. die Rohrleitung 22 weist zumindest eine plane Koppelfläche 23 aufweist, gegen welche zumindest eine Koppelfläche die Stege 14 der Koppelkörper 10 mittels der Befestigungsvorrichtung 40 gepresst sind, wobei die Kontaktierfläche 12.2 eines Koppelkörpers vollständig von einer zugehörigen Koppelfläche 23 umfasst ist. Auf diese Weise kann die Schallübertrageung zwischen Koppelkörper und Messrohr / Rohrleitung ohne ein Abschneiden des Ultraschallsignals erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
10: Koppelkörper
11: Körperelement
11.1: erste Seite
11.2: zweite Seite
12.1: Grundfläche
12.2: Kontaktierfläche
13: Tragfläche
14: Steg
14.1: Stirnfläche
18: Schalleinstrahlfläche
21: Messrohr
22: Rohrleitung
23: Koppelfläche
30: Ultraschallwandler
40: Befestigungsvorrichtung
50: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
L: Längsschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020116181 A1 [0002]

Claims

Koppelkörper (10) für ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) eingerichtet zum Übertragen von Ultraschallsignalen zwischen einem Ultraschallwandler und einem Messrohr (21) oder einer Rohrleitung (22), wobei der Koppelkörper Folgendes aufweist: - eine erste, mit einem Messrohr oder Rohrleitung zu kontaktierende Seite (11.1) mit einer ebenen Grundfläche (12.1) und einer Kontaktierfläche (12.2) zum Herstellen eines akustischen und mechanischen Kontakts zwischen Koppelkörper und Messrohr oder Rohrleitung, - eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite (11.2) mit einer Tragfläche (13), welche dazu eingerichtet ist, einen Ultraschallwandler (30) zu tragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierfläche Bestandteil einer Stirnfläche (14.1) eines aus der Grundfläche hervorstehenden Stegs (14) ist, welcher Steg entlang eines Längsschnitts (L) durch den Koppelkörper verläuft.
Koppelkörper nach Anspruch 1, wobei die Stirnfläche des Stegs (14) in einem Querschnitt (Q) durch den Koppelkörper (10) konvex geformt ist, und beispielsweise einen Krümmungsradius aufweist, wobei der Krümmungsradius größer als 20 mm, und insbesondere größer als 30 mm, und bevorzugt größer als 40 mm, und kleiner als 150 mm, uns insbesondere kleiner als 120 mm und bevorzugt kleiner als 100 mm ist.
Koppelkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Steg (14) bzgl. der Grundfläche (12.1) eine maximale Höhe H aufweist, wobei H größer als 0.5 mm, und insbesondere größer als 0.7 mm und bevorzugt größer als 0.9 mm und kleiner 10 mm und insbesondere kleiner als 7 mm und bevorzugt kleiner als 5 mm ist.
Koppelkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Steg in einem Querschnitt eine Breite B von höchstens 20 mm und insbesondere höchstens 15 mm und bevorzugt höchstens 12 mm aufweist.
Koppelkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Koppelkörper (10) eines der folgenden Materialien aufweist: ein zumindest 550 °C temperaturbeständiges Material wie beispielsweise ein Stahl, und insbesondere Stahl der Kennnummer 1.4404.
Koppelkörper nach einer der vorigen Ansprüche, wobei die Grundfläche (12.1) und der Steg (14) achsensymmetrisch bzgl. einer Längsschnitts (L) durch den Koppelkörper sind.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfassend: - zumindest ein Paar Ultraschallwandler (30) zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen, - für jeden Ultraschallwandler jeweils einen Koppelkörper (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler jeweils an einer Schalleinstrahlfläche (18) eines zugehörigen Koppelkörpers angeordnet sind, wobei die Koppelkörper an der Rohrleitung (22) oder einem in der Rohrleitung angeordneten Messrohr (21) des Durchflussmessgeräts angeordnet sind, - eine Befestigungsvorrichtung (40), welche dazu eingerichtet ist, die Koppelkörper am Messrohr oder der Rohrleitung zu befestigen, - eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (50), welche dazu eingerichtet ist, die Ultraschallwandler zu betreiben, Messsignale der Ultraschallwandler auszuwerten und Messwerte einer Messgröße bereitzustellen.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach 7, wobei der Ultraschallwandler (30) in einem Längsschnitt durch den Steg (14) eine Ultraschallwandlerausdehnung (31) aufweist, wobei ein Abbild der Ultraschallwandlerausdehnung auf die zweite Seite per geometrischer Akustik entlang einer Ultraschallsignalausbreitung im Koppelkörper eine Abbildausdehnung LA aufweist, wobei der Steg eine Steglänge LS aufweist, wobei die Steglänge LS größer ist als die Abbildausdehnung LA, wobei die Ultraschallwandlerausdehnung per geometrischer Akustik entlang des Längsschnitts vollständig auf die Kontaktierfläche (12.2) abgebildet wird.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Messrohr (21) oder die Rohrleitung (22) zumindest eine plane Koppelfläche (23) aufweist, gegen welche zumindest eine Koppelfläche die Stege (14) der Koppelkörper (10) mittels der Befestigungsvorrichtung (40) gepresst sind, wobei die Kontaktierfläche (12.2) eines Koppelkörpers vollständig von einer zugehörigen Koppelfläche (23) umfasst ist.