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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Messstrecke für Durchflussmesser
für fluide Medien,
mit mindestens einem in der Messstrecke angeordneten Reflektor um
von Ultraschallwandlern erzeugte Ultraschallsignale in und gegen
die Strömungsrichtung
des fluiden Mediums durch die Messstrecke zu leiten, wobei mindestens
eine Wand der Messstrecke und/oder mindestens ein Reflektor so ausgebildet
ist, dass wesentliche Anteile der Ultraschallsignale außer den
an den Reflektoroberflächen reflektierten
Ultraschallwellen so beeinflusst werden, dass sie am empfangenden
Wandler innerhalb eines für
die Ultraschallmessung notwendigen Zeitabschnitt nicht auftreffen.
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Ein
allgemein bekannter Nachteil derartiger gekrümmter Ultraschall-Messstrecken
mit mehreren Reflektoren besteht darin, dass die Reflektoren nur einen
Teilbereich der Schallkeule erfassen, sodass neben dem reflektierten
Ultraschall auch noch parasitäre
Schallanteile entstehen. Diese existieren auch dann, wenn die Spiegel
den Schall zwar optimal reflektieren aber in ihrer Ausdehnung begrenzt
sind. Diese parasitären
Schallanteile können
in der Messstrecke weiterlaufen und werden an der Gehäusewand
reflektiert (parasitäre
Echos). Dadurch entstehen Schallsignale unterschiedlichster Wegstrecke. So
entstehen beispielsweise aus einem Sendeburst von z. B. 30 Schwingungen
ein Empfangsburst, welcher sich aus unterschiedlichen Schallenteilen
zusammensetzt. Dies führt
zu Interferenzen und damit zur Verfälschung der Empfangszeit. Diese Überlagerung
kann dann letztendlich bei Änderung
der Schallgeschwindigkeit, z. B. durch eine Temperaturänderung,
zu Offsetverschiebungen führen.
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Aus
DE 195 33 814 A1 ist
eine ringförmige Ultraschall-Messstrecke
für Durchflussmesser
für fluide
Medien mit verteilt in der Messstrecke angeordneten Reflektoren
bekannt, um von Ultraschallwandlern erzeugte Ultraschallsignale
in und gegen die Strömungsrichtung
des fluiden Mediums durch die Messstrecke zu leiten. Die Wand der
Messstrecke weist zueinander beabstandete Dämpfungskörper auf und ist damit so ausgebildet,
dass wesentliche Anteile der Ultraschallsignale so beeinflusst werden, das
sie am empfangenen Wandler innerhalb eines für die Ult raschallmessung notwendigen
Zeitabschnitt nicht auftreten. Hierüber ist zwar eine gewisse Signalbedämpfung möglich, jedoch
nur dort, wo tatsächlich
Dämpfungskörper angeordnet
sind. Darüber
hinaus ergeben sich aus der Integration der Dämpfungskörper im Strömungskanal auch strömungstechnische
Probleme.
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Aus
DE 43 30 363 A1 ist
ein Volumendurchflussmessgerät
bekannt, bei dem ebenfalls Ultraschallsignale entlang einer Messstrecke
laufen. Die Messleitung selbst ist aus einem solchen Material, vornehmlich
Kunststoff, gefertigt, das ein von einem der Messköpfe abgegebenes
Schallsignal mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als die
Flüssigkeit überträgt, mithin
also einer Signaldämpfung
der wandseitig geführten
beziehungsweise reflektierten Signale erwirkt, so dass sich ein
Störsignal
von einem Nutzsignal separieren lässt. Gleichwohl kommt es auch
dort zur Signalreflexion an der Messkammerwand.
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Aus
WO 86/02723 ist eine Messstrecke mit zugeordneten Ultraschallwandlern
bekannt, bei dem die Innenwand der Messstrecke zum Dämpfen reflektierter
Ultraschallsignale profilierte Abschnitte oder eine Dämpfungsbeschichtung
aufweist. Auch hier kommt es trotz Bedämpfung in einem beachtlichen
Maß zu
Reflexionen innerhalb der Messstrecke.
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Aus
DE 39 11 408 C2 ist
ferner ein Messrohr für
Ultraschall-Durchflussmessungen bekannt, wobei dort der Außenmantel
des Messrohrs im Bereich der auf die Messrohr-Innenwand auftreffenden
Ultraschallstrahlen ein sägezahnförmiges Außenprofil
besitzt, dessen Querschnittsfläche
aus aneinander gereihten, annähernd
rechtwinkligen Dreiecken besteht. Über diese sägezahnförmige Profilierung gelingt
es, die in die Wände
des Messrohrs hinein gebrochenen Strahlen durch diffuse Reflexionen
in ihrer Wirkung in das Medium hinein zu bedämpfen. Hierzu ist eine sehr
spezielle Sägezahnprofilform
vorgesehen, bestehend aus annähernd
rechtwinkligen Dreiecken, deren Basis in Strömungsrichtung verläuft, deren
Katheten dem nächstliegenden
Ultraschallwandler in Sendestrahlrichtung zugewandt sind und deren Höhe annähernd der
Wellenlänge
der Ultraschallfrequenz gleich ist. Dieses Profil ist also für eine ausreichende
Bedämpfung äußerst genau
zu fertigen, da nur dann eine hinreichende Bedämpfung möglich ist.
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Aus
EP 0897 102 A1 ist
ferner ein Ultraschall-Durchflussmesser bekannt, umfassend eine Ultraschallmessstrecke.
Beim Übergang
vom Einlass- beziehungsweise Auslassstutzen zur Ultraschallmessstrecke
ist das Gehäuse
innenwandseitig mit einem Körper
aus ultraschallabsorbierenden Material verkleidet, der eine dem
entsprechenden Ultraschallwandler zugewandte Fläche aufweist, die im Wesentlichen
senkrecht zur axialen Richtung ausgebildet ist. Dieser Körper, der
im Wesentlichen ringförmig
ist, ist unmittelbar an der Stufe, die zwischen dem Einlass- und Auslassstutzen
und der Messstrecke vorgesehen ist, angeordnet. Von einem der Ultraschallwandler
ausgesendete Ultraschallimpulse, die auf den Körper treffen, werden dort nicht
reflektiert, so dass diese Signalanteile, die nicht in die Messstrecke
gelangen, nicht stören.
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Schließlich ist
aus
DE 26 48 718 B1 ein
Ultraschallmessgerät
bekannt, bei dem das Messrohr eine lichte Weite hat, die kleiner
ist als etwa das 15fache der Wellenlänge des Ultraschallsignals,
und bei dem die Messrohrinnenwand aus einem Material besteht, das
eine geringere akustische Impedanz als Metall besitzt, vornehmlich
ist das Messrohr mit einer Kunststoffwandauskleidung belegt, die
dämpfend wirkt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere gekrümmte Ultraschall-Messstrecke
zu schaffen, bei der parasitäre Echos
weitestgehend vermieden sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die mindestens eine Wand eine dünne Membran ist, hinter der
sich in einem umschlossenen Raum das gleiche fluide Medium wie in der
Messstrecke befindet.
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Die
dünne Membran
selbst kann nur minimale Ultraschall-Anteile reflektieren, der größte Teil
des Ultraschalls läuft
durch und kann im Raum hinter der Wand durch geeignete, noch zu
diskutierende Maßnahmen
vernichtet werden.
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Zu
diesem Zweck kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein,
dass keine reflektierten Ultraschall-Wellen von Wandungsabschnitten
außerhalb
der Reflektorstellen in die Messstrecke gelangen können, was
wiederum durch eine Reihe unterschiedlicher Maßnahmen realisierbar ist.
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So
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ultraschall-Wellenwiderstand
der Wand der Messstrecke im Wesentlichen gleich dem Ultraschall-Wellenwiderstand
des fluiden Mediums ist, was durch entsprechende Auswahl des Materials, aus
dem die Wand der Messstrecke besteht, erreicht werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen
sein, dass die Wand aus Ultraschall dämpfendem Material besteht,
beispielsweise aus Polyvinyldifluorid PVDF oder Polyethersulfon
PES oder PTFE (Teflon), oder aus Elastomeren.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung lässt sich das Auftreten von
störenden,
an der Wand außerhalb
von Reflektorstellen reflektierten Ultraschallwellen auch dadurch
verhindern, dass die Wand so gestaltet, insbesondere ihre Oberfläche derart
geformt ist, dass ein kontinuierlicher Übergang des Ultraschallwellen-Widerstandes stattfindet.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Wand mit Rillen
versehen ist, vorzugsweise dass ihre Oberfläche ein Sägezahnprofil aufweist. Beim
Auftreffen einer Ultraschall-Welle auf eine derartige Sägezahnwand
ergibt sich ein allmählicher Übergang
vom fluiden Medium in das Medium der Wand, sodass reflektierte Ultraschall-Wellen praktisch
nicht entstehen.
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Alternativ
kann die Wand auch so ausgebildet sein, dass an ihr reflektierte
Schallwellen umgelenkt und auf Wandabschnitte mit Reflexionsverhütung gerichtet
werden, sodass sie letztendlich ebenfalls nicht in die Ultraschall-Messstrecke,
zumindest nicht bis zu deren Ende, wo die Messungen stattfinden,
gelangen können.
Die austretenden Ultraschallanteile sollen – zur Verhinderung einer späteren Rückreflexion
in die Ultraschallmessstrecke – gedämpft, gebeugt,
reflektiert oder durch freie Laufstrecken verzögert werden, sodass sie aus
dem Zeitfenster für
eine Laufzeitmessung herausfallen.
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Neben
der vorstehend bevorzugt angesprochenen Verhinderung von störenden Ultraschall-Signalen,
die an der Wandung außerhalb
der Reflektorstellen reflektiert werden, ist es für die erfindungsgemäße Verhinderung
parasitärer
Echos auch wesentlich, dass Ultraschall-Wellen nur an den Reflektoroberflächen reflektiert
werden (Totalreflexion). Gelangen sie nach unten und werden dann
an der Rückfläche des
Spiegels nochmals reflektiert, so hat man verzögerte parasitäre Signale,
die in gleicher Weise stören,
wie Signale von der Messstreckenwand. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass die Reflektoren so
ausgebildet und an geordnet sind, dass eine Totalreflexion der Ultraschall-Wellen an der Reflektoroberfläche stattfindet,
wobei darüber
hinaus vorgesehen sein kann, dass der Einfallswinkel α der Ultraschall-Wellen
an den Reflektoren kleiner ist als 54° und größer ist als 39°.
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Die
Messstrecke selbst kann auch gekrümmt sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine
bogenförmige
Messstrecke mit einer Schallumlenkung,
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2 eine
der 1 entsprechende bogenförmige Messstrecke mit sägezahnartig
profilierter Innenwand der Messstrecke,
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3 einen
Schnitt längs
der Linie III-III durch eine Anordnung, bei der die Außenwand
der Messstrecke zur Reflektion von parasitären Signalen aus der Messstrecke
heraus geneigt ausgebildet ist und
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4 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messstrecke.
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In
der in 1 schematisch dargestellten gekrümmten Ultraschall-Messstrecke
ist die Außen-Wand
der Messstrecke 1 mit einem Reflektor 2 versehen,
von dem eine von einem nicht gezeigten Ultraschall-Wandler ausgesandte
und in die Messstrecke 3 eingeleitetet Ultraschall-Welle 4 in
der gezeigten Weise reflektiert wird. Nach gegebenenfalls weiteren
Reflexionen gelangt die Ultraschall-Welle zu einem weiteren Ultraschall-Wandler,
wobei gegebenenfalls durch Messung von Ultraschall-Wellen, die mit
und gegen der Strömungsrichtung
des die Messstrecke 3 durchströmenden Fluids ausgesandt und empfangen
werden, die Strömungsgeschwindigkeit dieses
Fluids ermittelt werden kann.
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Um
zu vermeiden, dass parasitäre
Echos außer
den Ultraschall-Signalen auftreten, die direkt an der Oberfläche 5 des
Reflektors 2 reflektiert werden, ist zum einen vorgesehen,
dass an der Oberfläche 5 Totalreflektion
auftritt, die Ultraschall-Wellen
also nicht in den Reflektorspiegel eintreten und gegebenenfalls
an dessen Rückseite 6 als
zeitlich verschobenes parasitäres
Signal reflektiert werden. Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, dass der Einfallswinkel α des Ultraschall-Signals auf die Spiegeloberfläche zwischen
39° und
54° liegt.
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Entscheidend
ist, dass Reflexionen an der Innenfläche 7 der Wand 1 im
Wesentlichen verhindert werden, was am einfachsten dadurch erfolgen
kann, dass man die Wand 1 aus einem Material herstellt, die
den gleichen Ultraschallwellen-Widerstand
aufweist, wie das in der Messstrecke 3 strömende fluide Medium.
Hierfür
eignen sich, wie bereits angesprochen, PVDF oder PES oder PTFE.
Darüber
hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Wand 1 aus einem
Ultraschall dämpfenden
Material besteht.
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Eine
weitere Möglichkeit
die Ankunft von parasitären
Echos am Empfangswandler oder von der Innenwand 7 der die
Messstrecke 3 flankierenden Wand 1 zu verhindern-
entsprechend die gleichen Maßnahmen
ließen
sich auch bei der Innenwand 8 der Messstrecke erreichen,
wobei es dort aber nicht so kritisch ist, da die Hauptreflexionen
an der äußeren Wand 1 stattfinden – bestehen
in einer Profilierung, insbesondere einer sägezahnartigen Profilierung 9,
wie sie in 2 angedeutet ist. Eine ankommende
Welle 4 trifft zunächst
auf die Spitzen der Sägezahnprofilierung
und der allmähliche Übergang vom
reinen fluiden Medium allmählich
in das Material der Wand 1 verhindert das Auftreten von
Reflexionen.
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Die 3 zeigt
schließlich
eine weitere Möglichkeit
parasitäre
Echos zu vermeiden, indem an der Innenfläche 7 der Wand 1 reflektierte
Signale aus der Messstrecke entfernt werden. Zu diesem Zweck ist bei
der Anordnung nach 3 die Wand 1 geneigt angeordnet,
sodass ein auf eine Wandstelle außerhalb des Reflektors 2 auftreffende
Ultraschall-Welle 4 nicht in der gekrümmten Strömungsebene der Messstrecke 3 reflektiert
wird, sondern nach unten, wie dies in 3 erkennbar
ist. Man kann nun an der unteren Begrenzungswand 10 der
Ultraschall-Messstrecke 3 vorsehen,
dass die Schallwellen möglichst stark
durchgelassen und dann im Außenbereich
in geeigneter Weise durch Dämpfung
od. dgl. vernichtet werden. Alternativ kann natürlich diese untere Begrenzungswand
ebenfalls aus einem Material mit dem gleichen Wellenwiderstand wie
das fluide strömende
Medium gefertigt sein, oder aber auch wiederum mit entsprechenden
Wandprofilierungen ausgebildet sein.
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Bei
der Anordnung nach 4 besteht die Wand 1 aus
einer dünnen
Wand, hinter der sich in einem von einem Gehäuse 11 umschlossenen
Raum 12 genau das gleiche fluide Medium befindet, wie in der
Messstrecke 3. Von der dünnen Membran 1 werden
allenfalls geringe Ultraschall-Anteile reflektiert. Der meiste Teil
geht durch und gelangt in den Raum 12, wo er wiederum entweder
durch geeignete Bedämpfungsmaßnahmen
vernichtet werden kann oder aber der so ausgestaltet sein kann,
dass etwaige Echos an den Wänden
der Umgrenzung 11 zeitlich so stark verzögert sind,
dass sie aus dem Zeitfenster für
eine Laufzeitmessung herausfallen.