DE19601570A1 - Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers und Ultraschall-Durchflußmesser mit derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers, die zur akustischen Kopplung des Schallwand­ lers mit einem Meßmedium an einer Öffnung einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, sowie einen Ultraschall- Durchflußmesser, der mit zumindest einer derartigen Vorrich­ tung versehen ist.

Eine derartige Vorrichtung wurde in der deutschen Patent­ anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen P 44 43 415.4 vor­ geschlagen. Der dort beschriebene Ultraschall-Durchflußmesser basiert auf dem Laufzeitdifferenzmeßprinzip mit zwei Ultra­ schallquellen an einem Meßrohr, die sich gegenseitig alter­ nierend Schallpulse durch das zu messende, fließende Medium zuschicken. Die gemessenen Größen sind die Schall-Laufzeiten stromaufwärts und stromabwärts. Die Differenz der Laufzeiten ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Durch Berück­ sichtigung der Geometrie des Meßrohrs wird der Volumenfluß berechnet, durch Integration über die Zeit das durchgeflos­ sene Volumen. Zur Erzeugung des Ultraschalls kommen bekannte Verfahren zur Anwendung, z. B. mit piezoelektrischen Kristal­ len, piezoelektrischen Keramiken oder anderen elektrostrik­ tiven Materialien. Das aktive Element wird in einer Aufnahme­ vorrichtung gehalten und sendet aus dieser seinen Schall in Richtung des Mediums. Der Ultraschallwandler wird an einer dafür vorgesehenen Öffnung des Meßrohrs befestigt. Bei der Ultraschall-Durchflußmessung wird die Meßgenauigkeit durch Störsignale, welche dem Meßsignal überlagert sind, einge­ schränkt. Als besonders problematisch erweist sich dabei der sogenannte Körperschall, der als Teil der akustischen Energie des Sendewandlers über mechanische Teile, die als Schall­ brücken wirken, in die Wand des Meßrohres eingekoppelt wird. Das Meßrohr besteht aus einem metallischen Werkstoff mit sehr guter Schalleitung, so daß das Körperschallsignal im Meßrohr nur eine sehr geringe Dämpfung erfährt. Beim Empfangswandler wird ein Teil der über das Meßrohr übertragenen akustischen Energie in diesen eingekoppelt und verfälscht daher das Meß­ signal. Diese Störungen wirken sich als Phasenverzerrungen im Meßsignal aus und führen zu einem Fehler bei der Laufzeitmes­ sung. Zur akustischen Entkopplung des Schallwandlers von der Meßrohrwand werden dort besondere Keramiken vorgeschlagen, die sich durch einen geringen Elastizitätsmodul auszeichnen. Damit sich nicht durch Ablagerungen, die sich in einem Spalt zwischen Schallwandler und Öffnungswand absetzen könnten, mit der Zeit eine undefinierte akustische Verbindung zwischen Wandler und Meßrohrwand ausbildet, die zu einer nicht vorher­ sagbaren Körperschallübertragung und somit zu Meßfehlern füh­ ren würde, ist auch dieser Spalt auf der dem Meßmedium zuge­ wandten Seite mit Dämpfungsmaterial ausgefüllt. Die zur Kör­ perschallentkopplung verwendeten besonderen Keramiken haben allerdings den Nachteil, daß sie insbesondere bei höheren Drücken nur eine unzureichende Dichtungsfunktion übernehmen können. Sie besitzen herstellungsbedingt eine rauhe, poröse Oberfläche, deren Rauhigkeit nur durch einen vergleichsweise kostenintensiven Schleifprozeß verringert werden kann. Zudem bewirkt der geringe Elastizitätsmodul der verwendeten Kera­ miken bei hohem Druck eine Verschlechterung der Dichtungs­ wirkung. Weiterhin sind Plasmakeramiken wegen des hohen Her­ stellungsaufwandes relativ teuer. Andere Materialien, welche für alle in der Praxis vorkommenden Prozeßmedien gleicher­ maßen geeignet sind und gleichzeitig zur Dichtung sowie zur Körperschallentkopplung eingesetzt werden können, sind, abge­ sehen von sehr teuren Werkstoffen, nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers zu schaffen, die an einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, eine kör­ perschallarme und abdichtende Verbindung des Schallwandlers zur Wandung gewährleistet sowie eine hohe Medienverträglich­ keit bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten auf­ weist. Zudem soll ein Ultraschall-Durchflußmesser mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 1 auf. In den Ansprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben. In An­ spruch 6 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Durchflußmes­ ser beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß besonders günstige, auf die im jeweiligen Prozeß vorkommenden Medien abgestimmte Dämpfungsmaterialien verwendet werden können. Die Aufnahme­ vorrichtung des Schallwandlers muß dabei lediglich mit dem jeweiligen, gegen das betreffende Prozeßmedium resistenten Formteil ausgerüstet werden. Für verschiedene Prozeßmedien können preisgünstig geeignete Formteile bereitgehalten wer­ den. Wenn das Formteil als Verbundteil ausgebildet wird, kön­ nen günstige Eigenschaften verschiedener Materialien mitein­ ander kombiniert werden. Beispielsweise dämpft ein Formteil mit einem Kern aus Plasmakeramik sehr gut eine Körperschall­ übertragung. Wird dieser Kern mit einer Schicht aus dem Kunststoff PTFE überzogen, so werden gleichzeitig auch eine gute Dichtwirkung und Medienverträglichkeit erreicht. Da diese Schicht dünn sein kann, können auch vergleichsweise teure Kunststoffe, die gegen viele Chemikalien resistent sind, verwendet werden. Die Gestaltung von Verbundteilen bie­ tet die Möglichkeit, daß für verschiedene Anwendungsbereiche eine jeweils optimale Kombination aus zwei kostengünstigen Werkstoffen gewählt werden kann. Kriecheigenschaften der Kunststoffe wirken sich bei einer dünnen Beschichtung eines formstabilen Kerns kaum störend aus. Die Dichtwirkung kann durch eine spezielle Formgebung des Spalts weiter erhöht wer­ den. Wird der Spalt konusförmig ausgebildet und werden An­ druckmittel vorgesehen, durch welche das Formteil in Richtung zum Meßmedium hin in den konusförmigen Spalt hineingedrückt wird, so wirkt die gesamte Innenfläche des Spaltes als Dichtfläche. Durch eine vollständige Befüllung des Spaltes mit dem Dämpfungsmaterial werden undefinierte Ablagerungen durch das Meßmedium und somit nicht erwünschte akustische Verbindungen zwischen Schallwandler und Öffnungswand vermie­ den. Das Formteil wird an die Spaltgeometrie angepaßt. Seine akustische Impedanz unterscheidet sich hinreichend von der des Schallwandlermaterials und des Meßrohrmaterials. Weiter­ hin können, insbesondere im Kern des Formteils, Materialien verwendet werden, die eine hohe innere Schalldämpfung aufwei­ sen.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers,

Fig. 2 ein Formteil mit rechtwinklig verlaufenden Dicht­ flächen,

Fig. 3 ein Verbundteil mit konischen Dichtflächen und fla­ chem Kern und

Fig. 4 ein Verbundteil mit konischen Dichtflächen und einem Kern mit gleichmäßiger Beschichtung.

Eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers 1 ist rotationssymmetrisch aufgebaut und in Fig. 1 als Schnittbild dargestellt. Sie wird an einer Öffnung einer Wandung 2 be­ festigt, die ein Meßmedium begrenzt. Dabei ragt der Schall­ wandler 1 durch die Öffnung der Wandung 2 hindurch und schließt mit seiner Abstrahlfläche 3 mit der Innenseite der Wandung 2 bündig ab. Zwischen dem Öffnungsrand und dem Schallwandler 1 befindet sich ein Formteil 4 aus Graphit. Dieses Formteil 4 dient sowohl zur Körperschallentkopplung als auch zur Abdichtung der Öffnung, um ein Eindringen des Mediums in ein Aufnahmegehäuse 5 zu verhindern. Ein Klemmring 6 schließt die Oberseite des Gehäuses 5 ab und erzeugt gleichzeitig über einen oberen Ring 7 aus Dämpfungsmaterial zur Körperschallentkopplung und einen Flansch 8 des Schall­ wandlers 1 eine Andruckkraft, durch welche das Formteil 4 in Richtung zum Meßmedium hin in den konusförmigen, zwischen Öffnungsrand und Schallwandler 1 verbleibenden Spalt hinein­ gedrückt wird, so daß die gesamte Innenfläche des Spaltes als Dichtfläche wirkt. Durch die Lagerung des Schallwandlers 1 zwischen dem Formteil 4 und dem oberen Ring 7, die aus schalldämpfendem Material bestehen, wird eine Übertragung des im Schallwandler 1 erzeugten Schalls auf die Wandung 2 als Körperschall weitgehend verhindert. Je nach Prozeßmedium kön­ nen Formteile 4 aus verschiedenen Materialien eingesetzt wer­ den, die gegen dieses resistent sind. In jedem Fall ist ein Formteil 4 aus einem Material einzusetzen, das sowohl Körper­ schall entkoppelnde Eigenschaften besitzt als auch die Dich­ tungsfunktion übernimmt. Die akustische Impedanz des Form­ teils 4 sollte sich hinreichend von der des Materials des Schallwandlers 1 und derjenigen der Wandung 2 unterscheiden.

In Fig. 2 ist ein Spalt zwischen einem Schallwandler 9 und einer Wandung 10 zylindrisch ausgebildet und wird durch ein an diesen angepaßtes Formteil 11 ausgefüllt. Aufgrund einer durch hier nicht dargestellte Andruckmittel erzeugten An­ druckkraft wirkt vor allem der Teil des Formteils 11 als Dichtung, der zwischen einem Flansch 12 und der Außenseite der Wandung 10 liegt. Diese Art der Abdichtung ist bereits für viele Anwendungsfälle ausreichend. Diese Ausführung des Spaltes hat gegenüber der in Fig. 1 gezeigten konusförmigen Spaltausbildung den Vorteil, daß der für die Herstellung des Konus erforderliche, zusätzliche Bearbeitungsaufwand für die Öffnung der Wandung entfällt. Es wird bei dieser Ausführung zwar keine vollständige Abdichtung des zylinderförmigen Spalts erreicht, das darin befindliche Formteil 11 wirkt je­ doch als Trennschicht für Körperschall. Dadurch wird in vor­ teilhafter Weise die Ausbildung von Schallbrücken durch Ab­ lagerungen vermieden.

In der Detailansicht nach Fig. 3 ist ein konischer Spalt zwischen einem Schallwandler 13 und einer Wandung 14 darge­ stellt. Ein Formteil ist als Verbundteil mit einem Kern 15 und einer Beschichtung 16 ausgebildet. Der Kern 15 besteht vorzugsweise aus einem Material mit besonders guter Schall­ dämpfung und sorgt für eine akustische Entkopplung des Wand­ lers 13 zur Wandung 14 in Richtung der Wandlerachse. Die er­ forderliche Dichtfunktion wird durch die Beschichtung 16 er­ bracht. Wenn das Formteil durch geeignete Andruckmittel in den Spalt hineingedrückt wird, wirkt wiederum die gesamte Innenfläche des Spaltes als Dichtfläche. Als Kern kann bei­ spielsweise Plasmakeramik und als Beschichtung PTFE verwendet werden.

In Fig. 4 besteht ein Formteil aus einem Kern 17, der mit einer dünnen Beschichtung 18 versehen ist. Auch hier sorgt der Kern 17 für die Körperschallentkopplung. Die Dichtfunk­ tion sowie die Medienresistenz werden durch die Beschichtung 18 sichergestellt. Für den Kern 17 können eine Plasmakeramik oder Graphit verwendet werden, für die Beschichtung bei­ spielsweise PTFE. Aufgrund der geringen Dicke der Beschich­ tung 18 sind Kriecheigenschaften des verwendeten Materials von untergeordneter Bedeutung. Daher kann das Material vor­ rangig für eine Dichtigkeit bis beispielsweise 60 bar Medien­ druck und für hohe Temperaturen bis etwa 240°C sowie eine hohe Medienverträglichkeit ausgewählt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers (1), die zur akustischen Kopplung des Schallwandlers (1) mit einem Meß­ medium an einer Öffnung einer das Meßmedium begrenzenden Wan­ dung (2) anbringbar ist und in welcher der Schallwandler (1) zur akustischen Entkopplung von der Wandung (2) in einem Dämpfungsmaterial (4) gelagert ist, das einen zwischen Schallwandler und Öffnungsrand auf der dem Meßmedium zu­ gewandten Seite verbleibenden Spalt ausfüllt, wobei das Dämp­ fungsmaterial (4) als austauschbares Formteil ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Formteil (4) aus Graphit besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Formteil (15, 16; 17, 18) als Verbundteil aus PTFE-beschichtetem Graphit ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Formteil (15, 16; 17, 18) als Verbundteil aus PTFE-beschichteter Plasmakeramik ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spalt konusförmig ist und daß Andruckmittel (6) vorgesehen sind, durch welche das Form­ teil (4) in Richtung zum Meßmedium hin in den konusförmigen Spalt hineingedrückt wird, so daß die gesamte Innenfläche des Spaltes als Dichtfläche wirkt.

6. Ultraschall-Durchflußmesser mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem vom Meßmedium durchflossenen Meßrohr.