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Die
Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ultraschallsonden
werden zum Beispiel zur Durchfluss- bzw. Volumenstrommessung von
strömenden
Medien eingesetzt. Dabei definieren vorzugsweise zwei Ultraschallsonden
einen Messpfad, der die Strömung
des Mediums unter einem von 90° verschiedenen
Winkel durchquert. Die Strömungsgeschwindigkeit
wird in der Weise gemessen, dass die Laufzeitdifferenz von Ultraschallsignalen
zwischen den zwei Ultraschallsonden bestimmt werden, wobei die Signale
einmal mit einer Komponente in Strömungsrichtung und einmal mit
einer Komponente entgegen der Strömungsrichtung laufen.
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Die
Ultraschallsonden werden unter unterschiedlichsten Einsatzbedingungen
verwendet, wobei insbesondere bei der Messung von Gasvolumenströmen die
Gase unter hohem Druck stehen können,
eine hohe Temperatur aufweisen, aggressiv und explosionsgefährlich sein
können.
Bei den Ultraschallsonden werden häufig piezokeramische Ultraschallwandler
verwendet, die nur bis zu einer gewissen Grenztemperatur eingesetzt
werden können.
Um diese Ultraschallwandler vor zu hohen Temperaturen zu schützen, ist
es bekannt, die Ultraschallsonden zu kühlen. Beispielsweise ist es
bekannt, die Ultraschallsonde so auszubilden, dass der Ultraschallwandler
von Spülluft
umströmt
ist, um den Ultraschallwandler gegen aggressive und heiße Gase
abzuschirmen. Die Spülluft
tritt dabei an der Stirnseite der Ultraschallsonde auf, an welcher
die schallabstrahlende oder aufnehmende Schallfläche mit dem strömenden Medium
in Kontakt kommt. Da die Kühlluft
hierbei in das strömende
Medium austritt, kann eine solche Ultraschallsonde in solchen Fällen nicht eingesetzt
werden, bei welchen keine Änderung
der chemischen Zusammensetzung, des Druckes oder des Volumens des
strömenden
Mediums verursacht werden darf.
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Aus
der JP 2002-267512 A ist eine Ultraschallsonde der eingangs genannten
Gattung bekannt. Diese Ultraschallsonde wird durch ein Kühlfluid
gekühlt,
welches nicht in den zu messenden Volumenstrom austritt. Das Kühlfluid
durchströmt
ein Kühlsystem,
welches die Ultraschallsonde an ihrem Außenumfang umschließt. Dadurch
wird zwar erreicht, dass das Kühlfluid
außerhalb
des zu messenden Volumenstroms zuströmt und abströmt, die
Kühlung
an der äußeren Mantelfläche der
Ultraschallsonde kann dabei allerdings keine effektive Kühlung des im
Inneren der Ultraschallsonde angeordneten Ultraschallwandlers bewirken.
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Aus
der
US 6,137,209 ist
eine gattungsgemäße Ultraschallsonde
bekannt. Bei der benannten Ultraschallsonde handelt es sich um eine
Hochleistungsultraschallsonde, bei der die durch die Ansteuerleistung
in den Piezokeramiken entstehende Verlustwärme unmittelbar abgeführt werden
muss, weshalb der Zuströmungskanal
zentral angeordnet ist und das Kühlfluid
unmittelbar benachbart zu den Piezokeramiken durch kleine radiale
Kühlkanäle strömt, wodurch
wiederum Störmodulationen
induziert werden können.
Hierdurch eignet sich die bekannte Ultraschallsonde nicht für empfindliche
Messungen. Außerdem
erreicht nur ein kleiner Teil des Kühlfluidvolumenstroms die Schallfläche, wodurch
diese nur wenig gekühlt
wird. Daher ist die bekannte Sonde nicht zum Einsatz in Umgebungen
mit erhöhter
Temperatur geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ultraschallsonde zu
schaffen, die eine effektive Kühlung
des Ultraschallwandlers mit dessen piezokeramischen Elementen sowie
der Schallfläche
erlaubt, ohne dass Kühlfluid
in den zu messenden Volumenstrom austritt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Ultraschallsonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird das
Kühlfluid
in einem geschlossenen Kühlsystem
durch die Ultraschallsonde geführt.
In einem Zuströmkanal
wird das Kühlfluid
von dem der Schallfläche
entgegengesetzten Ende axial durch die Ultraschallsonde bis zu dem Ultraschallwandler
geführt
und umströmt
diesen an dessen Außenumfang.
Nach dem Umströmen
des Ultraschallwandlers wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids
umgekehrt und das Kühlfluid
wird in einem Abströmkanal
axial zum hinteren Ende der Ultraschallsonde abgeführt. Der
Zuströmkanal
und der Abströmkanal
münden
somit in einem Bereich der Ultraschallsonde, der mit dem zu messenden
Volumenstrom nicht in Berührung
kommt. Das Kühlfluid kommt
jedoch im Inneren der Ultraschallsonde mit dem im vorderen schallflächenseitigen
Bereich der Ultraschallsonde angeordneten Ultraschallwandler in wärmetauschende
Berührung.
Dadurch ist eine sehr effektive Kühlung des Ultraschallwandlers
mit dessen piezokeramischen Elementen möglich, ohne dass das Kühlfluid
in den zu messenden Volumenstrom austritt. Die Trennung von Zuströmkanal und
Abströmkanal
gewährleistet
eine gute Wärmeabführung.
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Das
Kühlfluid
kann außerhalb
der Ultraschallsonde in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt werden,
der einen Wärmetauscher
aufweist, um das vom Abströmkanal
kommende Kühlfluid
für die
Rückführung zum
Zuströmkanal
zu kühlen.
Ebenso ist es möglich,
das Kühlsystem
zuströmseitig
und abströmseitig
offen zu gestalten, d. h. frisches Kühlfluid in den Zuströmkanal einzuleiten
und das aus dem Abströmkanal
austretende erwärmte
Kühlfluid zu
entsorgen. Die letztere Möglichkeit
ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn
Luft als Kühlfluid
verwendet wird. Dem Zuströmkanal
kann Umgebungsluft zugeführt
werden, während
die abströmseitig austretende
erwärmte
Kühlluft
in die Umgebung abgelassen wird.
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In
einer konstruktiv besonders zweckmäßigen Ausführung verläuft der Zuströmkanal axial
mittig in der Ultraschallsonde und umschließt den Ultraschallwandler koaxial.
Dadurch kann das Kühlfluid den
Ultraschallwandler an dessen gesamter Umfangsmantelfläche umströmen, sodass
eine maximale Wärmetauschfläche erhalten
wird. Der Abströmkanal
ist achsparallel außer halb
des Zuströmkanals
angeordnet. Hierbei ist es insbesondere auch möglich, den Abströmkanal als
den Zuströmkanal
koaxial umschließenden
Mantelkanal auszubilden.
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Um
eine möglichst
große
Wärmetauschfläche zwischen
dem Zuströmkanal
und dem Ultraschallwandler zu erhalten, wird zweckmäßig der
Zuströmkanal über den
Ultraschallwandler hinaus bis an die Innenseite der Schallfläche geführt, sodass das
Kühlfluid
unmittelbar hinter der Schallfläche
in den Abströmkanal
umgelenkt wird. Dadurch werden sowohl der Ultraschallwandler als
auch der sich anschließende
Schwingungskörper
von dem Kühlmedium
umströmt
und gekühlt.
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Wird
Luft oder ein sonstiges Gas als Kühlfluid verwendet, so kann
in einer vorteilhaften Ausführung
der Zuströmkanal
so ausgebildet sein, dass sein Strömungsquerschnitt sich zu einer
Drosselstelle verengt und sich im Bereich der piezokeramischen Elementen
bzw. des mit diesen verbundenen Schwingungskörpers hinter dieser Drosselstelle
wieder erweitert. Dadurch entspannt sich die Luft im Bereich des
Ultraschallwandlers bzw. des Schwingungskörpers, wodurch eine zusätzliche
Kühlwirkung erzielt
wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde.
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Zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines
Mediums in einer Rohrleitung 10 sind in die Wandung der
Rohrleitung 10 wenigstens zwei Ultraschallsonden eingesetzt,
die eine die Rohrleitung 10 durchquerende Messstrecke bilden.
Die Messstrecke verläuft
dabei unter einem von 90° abweichenden Winkel
bezogen auf die Strömungsrichtung
des Mediums. Die zwei Ultraschallsonden dienen jeweils alternierend
als Sender und Empfänger
von Ultraschallsignalen. Aus der Messung der Differenz der Laufzeiten
der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung
und entgegen der Strömungsrichtung
kann die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. der Volumenstrom des Mediums ermittelt werden.
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In
der Zeichnung ist eine der Ultraschallsonden dargestellt. Die zweite
Ultraschallsonde oder gegebenenfalls weitere Paare von Ultraschallsonden sind
entsprechend aufgebaut.
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Die
Ultraschallsonde weist einen Ultraschallwandler 12 auf,
der vorzugsweise aus zwei piezokeramischen Elementen besteht. Der
Ultraschallwandler 12 wird als elektro-akustischer Wandler
betrieben, wenn die Ultraschallsonde Ultraschallsignale aussendet,
und als akusto-elektrischer Wandler, wenn die Ultraschallsonde Ultraschallsignale
empfängt.
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Die
piezokeramischen Elemente des Ultraschallwandlers 12 sind
zwischen einem Massekörper 14 und
einem Schwingungskörper 16 eingespannt. Der
Schwingungskörper 16 erstreckt
sich von den piezokeramischen Elementen des Ultraschallwandlers 12 in
einem sich verjüngenden
Abschnitt gegen die axiale vordere Stirnfläche der Ultraschallsonde hin. Die
Stirnfläche
bildet eine Schallfläche 20 und
die Grenzfläche
der Ultraschallsonde gegenüber
dem in der Rohrleitung 10 strömenden Medium. Beim Betrieb
der Ultraschallsonde als Ultraschallsender dient die Schallfläche 20 als
Abstrahlfläche
für die
Ultraschallsignale. Beim Betrieb der Ultraschallsonde als Ultraschallempfänger dient
die Schallfläche 20 als Aufnahmefläche für die Ultraschallsignale.
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Die
Schallfläche 20 ist
an ihrem Außenumfang
mit einem Mantelrohr 22 verbunden, welches den Ultraschallwandler 12 koaxial
umschließt.
An das hintere Ende des Mantelrohres 22 schließt sich wiederum
axial fluchtend ein rohrförmiges
Gehäuse 24 an.
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Das
Gehäuse 24 ist
für die
Montage und den Anschluss der Ultraschallsonde mit seinem der Schallfläche 20 entgegengesetzten
hinteren Ende in einen Sockel 26 eingesetzt.
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Koaxial
mittig in das Innenlumen des Gehäuses 24 ist
ein Innenrohr 28 eingesetzt. Das Innenrohr 28 sitzt
mit seinem hinteren Ende fest in einem Flansch 30, der
seinerseits in das hintere Ende des Gehäuses 24 eingesetzt
ist. Der Flansch 30 trägt
das Innenrohr 28, sodass dieses frei in das Gehäuse 24 hineinragt,
wobei der Außenumfang
des Innenrohres 28 radial von dem Innenumfang des Gehäuses 24 beabstandet
ist.
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An
seinem freien vorderen Ende ist das Innenrohr 28 auf einen
größeren Radius
erweitert, und umschließt
mit diesem erweiterten Endabschnitt koaxial und radial beabstandet
den Massekörper 14,
den Ultraschallwandler mit piezokeramischen Elementen 12 und
ein Spannorgan 18. Das vordere freie Ende des Innenrohres 28 ist
als separates Endrohrstück 32 ausgebildet,
welches sich gegen das vordere freie Ende hin konisch verjüngt. Mit
diesem sich verjüngenden
Endrohrstück 32 umschließt das Innenrohr 28 auch
den sich verjüngenden
Abschnitt des Schwingungskörpers 16.
Die Ausbildung des vorderen freien Endes des Innenrohres 28 als
separates Endrohrstück 32 ermöglicht die
Montage des Ultraschallwandlers 12 mit dem Massekörper 14 und
dem Schwingungskörper 16 im
Inneren des Innenrohres 28.
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Das
vordere offene Ende des Innenrohres 28 bzw. seines Endrohrstückes 32 endet
axial mit einem Abstand von der Innensei te der Schallfläche 20.
Dadurch besteht axial hinter der Schallfläche 20 eine radial
freie Verbindung zwischen dem Innenlumen des Innenrohres 28 und
dem Ringraum zwischen dem Außenumfang
des Innenrohres 28 und dem Außenrand der Schallfläche 20,
dem Mantelrohr 22 und dem Gehäuse 24.
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Zur
Kühlung
des Ultraschallwandlers 12 wird ein Kühlfluid, insbesondere Kühlluft verwendet.
Die Kühlluft
wird durch einen axial in den Sockel 26 eingesetzten Lufteintritt 34 zugeführt. Von
dem Lufteintritt 34 gelangt die Kühlluft in eine Ringkammer 36, die
zwischen dem Sockel 26, dem Gehäuse 24 und dem Flansch 30 gebildet
ist. Von dieser Ringkammer 36 gelangt die Kühlluft durch
radiale Bohrungen 38 des Flansches 30 in das Innere
des Innenrohres 28. Durch das Innenrohr 28 strömt die Kühlluft axial
nach vorne und um den Massekörper 14,
den Ultraschallwandler mit piezokeramischen Elementen 12 und den
Abschnitt des Schwingungskörpers 16.
An der Innenseite der Schallfläche 20 wird
die Kühlluft
dann um die vordere Stirnkante des Innenrohres 28 bzw. des
Endrohrstückes 32 umgelenkt
und strömt
in dem Ringspalt zwischen dem Innenrohr 28 und dem Mantelrohr 22 bzw.
dem Gehäuse 24 zurück. Vor
dem Flansch 30 sind radiale Bohrungen in dem Mantel des
Gehäuses 24 vorgesehen,
die als Luftaustritt 40 für die Kühlluft dienen. Somit bilden
der Lufteintritt 34, die Ringkammer 36, die Bohrungen 38 und
das Innenlumen des Innenrohres 28 einen Zuströmkanal, durch
welchen die Kühlluft
zu dem Ultraschallwandler 12 und dem Schwingungsköper 16 geführt wird, um
diese Teile zu kühlen.
Dadurch wird eine unzulässige
Erwärmung
der piezokeramischen Elemente des Ultraschallwandlers 12 vermieden,
auch wenn an der Schallfläche 20 der
Ultraschallsonde ein heißes
Medium vorbeiströmt.
Die erwärmte
Kühlluft
wird durch einen Abströmkanal
abgeführt,
der zwischen dem Außenumfang
des Innenrohrs 28 und dem Mantelrohr 22 bzw. dem
Gehäuse 24 zu
dem Luftaustritt 40 führt.
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Wie
aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist das Innenrohr 28 in
dem Bereich zwischen dem Flansch 30 und dem Massekörper 14 einen
relative großen
Strömungsquerschnitt
auf.
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Im
Bereich des Spannorganes 18 wird der Strömungsquerschnitt
des Zuströmkanals
stark reduziert. Hierzu werden die Bohrungen im Endrohrstück 32 entsprechend
dimensioniert wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. In Strömungsrichtung
hinter dieser Querschnittsverengung, d. h. im Bereich des Schwingungskörpers 16 erweitert
sich der Strömungsquerschnitt
des Zuströmkanals
wieder stark. Dadurch wird ein großes Strömungsvolumen zwischen dem konischen
Teil des Schwingungskörpers 16,
dem sich anschließenden
zylindrischen Abschnitt des Schwingungskörpers 16 und der Schallfläche 20 einerseits
und dem stirnseitigen Ende des Innenrohres 28 gebildet.
Die Querschnittsverengung des Strömungskanals bewirkt eine Drosselung
der zugeführten
Kühlluft.
Dadurch baut sich an der verengten Drosselstelle ein Druck auf und
die Kühlluft
kann sich beim Übergang
von der verengten Drosselstelle in den erweiterten Volumenbereich
am Außenumfang des
konischen Abschnittes des Schwingungskörpers 16 entspannen.
Diese Entspannung führt
zu einer Temperaturerniedrigung der Kühlluft, wodurch der Kühleffekt
im Bereich des Schwingungskörpers 16 und
dessen Schallfläche 20 verstärkt wird.
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- 10
- Rohrleitung
- 12
- Ultraschallwandler
- 14
- Massekörper
- 16
- Schwingungskörper
- 18
- Spannorgan
- 20
- Schallfläche
- 22
- Mantelrohr
- 24
- Gehäuse
- 26
- Sockel
- 28
- Innenrohr
- 30
- Flansch
- 32
- Endrohrstück
- 34
- Lufteintritt
- 36
- Ringkammer
- 38
- Bohrungen
- 40
- Luftaustritt