DE19812458A1 - Sende- und/oder Empfangskopf eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Sende- und/oder Empfangskopf (1) eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes für strömende Medien (2), das nach dem Laufzeit-Verfahren arbeitet, mit einem Gehäuse (4), mit einem Ultraschallsignale in das strömende Medium (2) aussendenden und/oder aus dem strömenden Medium (2) empfangenden Ultraschalltransducer (5) und mit einem Ultraschallwellenleiter, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwellenleiter in das strömende Medium (2) eingekoppelt und/oder aus dem strömenden Medium (2) ausgekoppelt werden. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangskopf (1) ist in einem Ultraschall-Durchflußmeßgerät auch für sehr heiße strömende Medien (2), insbesondere auch für heiße strömende Gase, dadurch besonders gut einsetzbar, daß als Ultraschallwellenleiter ein länglicher Schalltrichter (6) mit einem großen Wärmeleitwiderstand verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sende- und/oder Empfangskopf eines Ultraschall-Durch­ flußmeßgerätes für strömende Medien, das nach dem Laufzeit-Verfahren arbeitet, mit einem Gehäuse, mit einem Ultraschallsignale in das strömende Medium aussendenden und/oder aus dem strömenden Medium empfangenden Ultraschalltransducer und mit einem Ultraschallwellenleiter, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwellen­ leiter in das strömende Medium eingekoppelt und/oder aus dem strömenden Medium ausgekoppelt werden.

Der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten hat in zunehmendem Maße bei der betrieblichen Durchflußmessung von strömenden Medien, d. h. von Flüssigkeiten und Gasen, an Bedeutung gewonnen. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß - wie auch beispielsweise bei magnetisch-induktiven Durchflußmeßgeräten - die Durchflußmes­ sung "berührungslos", d. h. ohne störende Einbauten in der Strömung, erfolgen kann.

Bei Ultraschall-Durchflußmeßgeräten unterscheidet man hinsichtlich des Meßverfah­ rens vor allem zwischen dem Laufzeit-Verfahren und dem Doppler-Verfahren. Dabei ist die zu erreichende Genauigkeit beim Laufzeit-Verfahren wesentlich größer als beim Doppler-Verfahren. Aus diesem Grund werden bevorzugt Ultraschall-Durch­ flußmeßgeräte, die nach dem Laufzeit-Verfahren, und zwar insbesondere nach dem Laufzeit-Differenz-Verfahren arbeiten, eingesetzt.

Die Laufzeit eines Ultraschallsignals auf dem Meßpfand von dem sendenden Ultra­ schalltransducer zu dem empfangenden Ultraschalltransducer in einer Flüssigkeit er­ gibt sich aus der Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bzw. des Gases (Mitführung). Daraus ist das in Rede stehende Prinzip der Ultraschall-Durchflußmessung nach dem Laufzeit-Verfahren abgeleitet. Beim Lauf­ zeit-Differenz-Verfahren werden in der Flüssigkeit bzw. in dem Gas Ultraschallsignale wechselweise oder gleichzeitig stromaufwärts und stromabwärts gesendet. Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten erreichen die Signale bei gleich langem geometrischen Meßpfad stromaufwärts und stromabwärts die als Emp­ fänger arbeitenden Ultraschalltransducer nach unterschiedlichen Laufzeiten. Die Laufzeit-Differenz der beiden Schallwellen ist direkt proportional zur Durchflußge­ schwindigkeit des strömenden Mediums.

Zur Ultraschall-Durchflußmessung eines strömenden Mediums benötigt man funkti­ onsnotwendig ein das strömende Medium führendes Meßrohr und mindestens einen Ultraschalltransducer, vorzugsweise zwei in Strömungsrichtung gegeneinander ver­ setzt angeordnete Ultraschalltransducer sowie eine Steuer- und Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallsignale. Die Steuer- und Auswerteschal­ tung kann darüber hinaus aus der Laufzeit die Strömungsgeschwindigkeit und das Durchflußvolumen oder auch andere Parameter des strömenden Mediums berechnen.

Da sich der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten aufgrund ihrer hohen Ge­ nauigkeit und Betriebssicherheit äußerst bewährt hat, erschließen sich diesen Durch­ flußmeßgeräten in neuerer Zeit vielfach weitere Einsatzfelder. Dabei spielen insbe­ sondere Einsatzfelder eine Rolle, in welchen das strömende Medium deutlich erhöhte Temperaturen aufweist. Hier sei nur beispielhaft der Einsatz im Bereich der Erdöl- und Erdgasförderung erwähnt.

Hohe Temperaturen stellen jedoch ein erhebliches Problem bei der Anwendung von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten dar. In der Regel werden Piezokristalle als grundle­ gendes Bauteil der Ultraschalltransducer eingesetzt, wodurch sich jedoch die Ein­ satzmöglichkeiten der bekannten Durchflußmeßgeräte auf einen Temperaturbereich bis maximal 150°C beschränken. Bei höheren Temperaturen werden die verwende­ ten Piezokristalle störanfällig bzw. gänzlich funktionsuntauglich.

Aus der JP 61-93 914 A, von der die Erfindung ausgeht, ist ein Ultraschall-Durch­ flußmeßgerät bekannt, bei dem der Ultraschalltransducer die Ultraschallsignale über einen Ultraschallwellenleiter in das strömende Medium eingekoppelt. Bei diesem be­ kannten Ultraschall-Durchflußmeßgerät wird versucht, die maximal zulässige Tempe­ ratur des strömenden Mediums dadurch zu erhöhen, daß der Ultraschalltransducer nicht direkt mit dem strömenden Medium in Kontakt tritt, sondern ein Ultraschallwel­ lenleiter zwischen dem strömenden Medium und dem Ultraschalltransducer angeord­ net ist. Nachteilig bei einer solchen Konstruktion ist jedoch zum einen die sehr große Abklingzeit der Ultraschallsignale, bedingt durch die starken Reflexionen der Ultra­ schallsignale an den Grenzflächen des Ultraschallwellenleiters, und zum anderen die große Gefahr eines Übersprechens des Ultraschallsignals vom Ultraschallwellenleiter zum Meßrohr und zum Gehäuse. Darüber hinaus wird ein großer Teil der akustischen Energie des von dem Ultraschalltransducer abgestrahlten Ultraschallsignals am Über­ gang des Ultraschallwellenleiters zum strömenden Medium in den Ultraschallwellen­ leiter zurück reflektiert. Der durch die unterschiedlichen Impedanzen von Ultra­ schallwellenleiter und strömenden Medium bedingte sehr geringe Transmissionsgrad des Ultraschallsignals verhält sich proportional zur Impedanz und umgekehrt propor­ tional zur Temperatur des strömenden Mediums. Soll also beispielsweise der Durch­ fluß eines heißen strömenden Gases bestimmt werden, so ist bei den bekannten Ultra­ schall-Durchflußmeßgeräten die in das Gas eingekoppelte akustische Leistung zu ge­ ring, um von dem zweiten Ultraschalltransducer empfangen werden zu können, - da die Impedanz des heißen Gases sehr gering ist.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ultraschall-Durch­ flußmeßgeräte derart auszugestalten und weiterzubilden, daß die genannten Nachteile vermieden werden und auch bei hoher Temperatur eines strömenden Mediums, insbe­ sondere eines strömenden Gases, der Durchfluß zuverlässig und genau gemessen werden kann.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen be­ sonders ausgebildeten Sende- und/oder Empfangskopf gelöst, der zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß als Ultraschallwellenleiter ein längli­ cher Schalltrichter mit einem großen Wärmeleitwiderstand vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Schalltrichters wird zum einen die akustische Energie gebündelt, so daß - auf eine bestimmte Querschnittsfläche bezogen - ein größeres akustisches Si­ gnal in das strömende Medium eingekoppelt werden kann. Darüber hinaus wird durch geeignete Dimensionierung des Schalltrichters auch erreicht, daß die Tempera­ tur am Ultraschalltransducer im Vergleich zu der Temperatur des Mediums hinrei­ chend weit abgeklungen ist. Für den Wärmeleitwiderstand des Schalltrichters gilt da­ bei folgende Gleichung:

wobei A die Querschnittsfläche, L die Länge und λ die Wärmeleitfähigkeit des Schall­ trichters ist. Durch geeignete Wahl der Querschnittsfläche A, der Länge L und der Wärmeleitfähigkeit λ kann somit ein Schalltrichter mit einem ausreichend großen Wärmeleitwiderstand R realisiert werden, so daß die maximal zulässige Temperatur am Ultraschalltransducer nicht überschritten wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes ist dem Schalltrichter zumindest teilweise ein vorzugsweise kreiszy­ lindrischer Trichtermantel zugeordnet. Im übrigen empfiehlt es sich, den Schalltrichter an dem dem strömenden Medium zugewandten Ende mit einem Fenster abzu­ schließen und die Ultraschallsignale durch das Fenster in das Medium einzukoppeln und/oder aus dem Medium auszukoppeln. Ist dem Schalltrichter ein Trichtermantel zugeordnet, so sind zweckmäßigerweise der Schalltrichter und der Trichtermantel mit einem Fenster abgeschlossen. Um ein optimales Einkoppeln der Ultraschallsignale in das Medium bzw. Auskoppeln der Ultraschallsignale aus dem Medium zu gewährlei­ sten, ist vorzugsweise das Ende des Schalltrichters in der Mitte des Fensters ange­ ordnet und sind der Durchmesser und die Dicke des Fensters so dimensioniert, daß eine möglichst große Schwingungsamplitude des Fensters erreichbar ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß im Trichtermantel eine Dämpfung vorgesehen ist, wodurch eine Dissipation der reflektierten Ultra­ schallwellen im Trichtermantel erreicht wird. Diese Überführung der akustischen Energie in Verlustwärme wird noch weiter dadurch erhöht, wenn der Dämpfung fen­ sterseitig eine Impedanzanpassung vorgeschaltet ist. Durch diese Impedanzanpas­ sung werden die unerwünschten Schallreflexionen im Trichtermantel in die Dämp­ fung eingekoppelt. Durch die Verwendung einer solchen Impedanzanpassung kann die Effektivität der Dämpfung in etwa um den Faktor 2 erhöht werden. Insgesamt wird insbesondere durch die Kombination von Dämpfung und Impedanzanpassung sowohl die Abklingzeit des Ultraschallsignals verkürzt als auch das Übersprechen von Ultraschallsignalen vom Trichtermantel auf das Gehäuse verringert.

Der erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangskopf läßt sich vorteilhafterweise in einem Ultraschall-Durchflußmeßgerät einsetzen, das zwei solcher Sende- und/oder Empfangsköpfe und eine Steuer- und Auswerteschaltung aufweist, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung die Laufzeit der Ultraschallsignale zur Bestimmung des Vo­ lumendurchflusses mißt. Vorzugsweise wird dabei durch die Steuer- und Auswerte­ schaltung anhand der Differenz zwischen der Gesamtlaufzeit der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschalltransducern und der Summe der Laufzeiten der Ultraschall­ signale in den Schalltrichtern der Volumendurchfluß bestimmt.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopf eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes auszugestal­ ten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sende- und Emp­ fangskopfes eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes und

Fig. 2 in gegenüber der Fig. 1 vergrößerter Darstellung das dem strömenden Medium zugewandte Ende des in der Fig. 1 dargestellten erfindungsge­ mäßen Sende- und/oder Empfangskopfes.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes 1 eines nach dem Laufzeit-Verfahren arbeitendenden Ul­ traschall-Durchflußmeßgerätes dargestellt. Das strömende Medium 2, dessen Durch­ fluß gemessen werden soll, fließt durch ein in Fig. 1 nur angedeutetes Meßrohr 3. Da Ultraschall-Durchflußmeßgeräte der hier in Rede stehenden Art, also solche, die nach dem Laufzeit-Verfahren arbeiten, vielfach bekannt sind, ist in der Fig. 1 außer dem er­ findungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopf 1 von dem Ultraschall-Durchfluß­ meßgerät nur das Meßrohr 3 angedeutet. Im übrigen wird zur Vermeidung von Wie­ derholungen in bezug auf Ultraschall-Durchflußmeßgeräte der in Rede stehenden Art auf die deutschen Offenlegungsschriften 195 30 807, 196 33 558 und 196 48 784 verwiesen. Der Offenbarungsgehalt dieser vorveröffentlichten Druckschriften wird hiermit ausdrücklich auch hier zum Offenbarungsgehalt gemacht. Das gilt auch und insbesondere in bezug auf die Steuer- und Auswerteschaltung, wie sie in der deut­ schen Offenlegungsschrift 195 30 807 beschrieben ist.

Zu dem erfindungsgemäßen, in Fig. 1 dargestellten Sende- und/oder Empfangskopf 1 eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes gehören ein Gehäuse 4, das im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem nur angedeuteten Meßrohr 3 verschweißt ist, ein Ultra­ schallsignale in das strömende Medium 2 aussendender und/oder aus dem strömen­ den Medium 2 empfangender Ultraschalltransducer 5 und ein Ultraschallwellenleiter, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwellenleiter in das strömende Medi­ um 2 eingekoppelt und/oder aus dem strömenden Medium 2 ausgekoppelt werden.

Die Formulierungen "Sende- und/oder Empfangskopf 1", "in das strömende Medium 2 aussendenden und/oder aus dem strömenden Medium 2 empfangenden" sowie "in das strömende Medium 2 eingekoppelt und/oder aus dem strömenden Medium 2 ausgekoppelt" sind verwendet worden und werden verwendet, weil es nach dem Laufzeit-Verfahren arbeitende Ultraschall-Durchflußmeßgeräte unterschiedlicher Art gibt, und zwar sowohl solche, die nur einen Ultraschalltransducer aufweisen, als auch solche, die zwei oder mehr Ultraschalltransducer aufweisen.

Bei Ultraschall-Durchflußmeßgeräten mit nur einem Ultraschalltransducer arbeitet die­ ser sowohl sendend als auch empfangend. Für ein solches Ultraschall-Durchflußmeß­ gerät geht es dann erfindungsgemäß um einen Sende- und Empfangskopf, zu dem - ne­ ben einem Gehäuse - ein Ultraschallsignale in das strömende Medium aussenden­ der und aus dem strömenden Medium empfangender Ultraschalltransducer und ein Ultraschallwellenleiter gehören, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwel­ lenleiter in das strömende Medium eingekoppelt und aus dem strömenden Medium ausgekoppelt werden.

Bei Ultraschall-Durchflußmeßgeräten, die mindestens zwei Ultraschalltransducer auf­ weisen, unterscheidet man zwischen solchen, bei denen die Ultraschalltransducer sowohl senden als auch empfangen, und solchen, bei denen mindestens ein Ultra­ schalltransducer nur sendet und mindestens ein Ultraschalltransducer nur empfängt. Für die Ausführungsform, bei der die Ultraschalltransducer sowohl senden als auch empfangen, gilt das, was zuvor für Ultraschall-Durchflußmeßgeräte gesagt worden ist, die überhaupt nur einen Ultraschalltransducer aufweisen. Für die Ausführungsform, bei der mindestens ein Ultraschalltransducer nur sendet und mindestens ein Ultra­ schalltransducer nur empfängt, geht es dann erfindungsgemäß um einen Sende- oder Empfangskopf, zu dem - neben dem Gehäuse - ein Ultraschallsignale in das strömende Medium aussendender oder aus dem strömenden Medium empfangender Ultraschall­ transducer und ein Ultraschallwellenleiter gehören, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwellenleiter in das strömende Medium eingekoppelt oder aus dem strömenden Medium ausgekoppelt werden.

Für die Lehre der Erfindung ist es ohne Bedeutung, ob es im Sinne der zuvor gege­ benen Erläuterung um einen "Sende- und Empfangskopf" oder um einen "Sende- oder Empfangskopf" geht.

Für den erfindungsgemäßen, in Fig. 1 dargestellten Sende- und/oder Empfangskopf 1 gilt nun zunächst, daß als Ultraschallwellenleiter ein länglicher Schalltrichter 6 mit ei­ nem großen Wärmeleitwiderstand vorgesehen ist. Das, was damit erreicht ist, ist be­ reits weiter oben beschrieben worden, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen werden darf.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sende- und/­ oder Empfangskopfes 1 ist, wie den Figuren, insbesondere der Fig. 2, entnommen werden kann, dem Schalltrichter 6 teilweise ein kreiszylindrischer Trichtermantel 7 zugeordnet. Der Schalltrichter 6 und der Trichtermantel 7 sind an dem dem strömen­ den Medium 2 zugewandten Ende mit einem Fenster 8 abgeschlossen. Die Ultra­ schallsignale werden also entweder von dem Ultraschalltransducer 5 über den Schall­ trichter 6 und das Fester 8 in das strömende Medium 2 eingekoppelt oder aus dem strömenden Medium 2 ausgekoppelt, nämlich über das Fenster 8 und den Schalltrich­ ter 6 dem Ultraschalltransducer 5 zugeführt. Wie insbesondere die Fig. 2 zeigt, ist das Ende des Schalltrichters 6 in der Mitte des Fensters 8 angeordnet. Im übrigen sind der Durchmesser und die Dicke des Fensters 8 so dimensioniert, daß eine möglichst große Schwingungsamplitude des Fensters 8 erreichbar ist. Im übrigen sei noch darauf hin­ gewiesen, daß das Fenster 8 mit dem Trichtermantel 7 verschweißt sein kann.

In Fig. 1 ist nur angedeutet, daß zu dem Sende- und/oder Empfangskopf 1 noch ein weiteres, das obere Ende des Schalltrichters 6 und den Ultraschalltransducer 5 um­ schließendes Gehäuse 9 gehört.

Das in Fig. 1 im einzelnen dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes 1 ist auch insoweit ein bevorzugtes, und zwar ein besonders bevorzugtes, als im Trichtermantel 7 eine Dämpfung 10 vorgesehen ist, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Trichtermantels 7 erstreckt und mit dem Trichtermantel 7 verbunden ist. In der Nähe des Fensters 8 ist der Dämpfung 10 noch eine Impedanzanpassung 11 vorgeschaltet. Durch die Impedanzanpassung 11 werden die unerwünschten Schallreflexionen am Fenster 8 besonders effektiv in die Dämpfung 10 eingekoppelt. Vorzugsweise besteht die Impedanzanpassung 11 aus demselben Material wie die Dämpfung 10, so daß an dem Übergang von der Impe­ danzanpassung 11 zur Dämpfung 10 keine Reflexionen auftreten.

Für die Dämpfung 10 und/oder die Impedanzanpassung 11 wird bevorzugt gesinter­ tes oder poröses Material mit großer Körnung verwendet, da die Effektivität der Schalldämpfung abhängig ist vom Verhältnis der Korngröße zur Wellenlänge. Für die Dämpfung 10 und/oder die Impedanzanpassung 11 kann insbesondere Bronzesand oder Sinterbronze mit einer Korngröße von 10 µm bis 10 mm verwendet werden.

Wie auch im Stand der Technik bekannt, weist bei dem erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopf 1 der Ultraschalltransducer 5 einen Piezokristall 12 auf; die zugeordnete Querschnittsfläche des Schalltrichters 6 entspricht der Querschnittsflä­ che des Piezokristalls 12.

Die Länge des Schalltrichters 6 richtet sich insbesondere nach dem erforderlichen Wärmeleitwiderstand, wozu auf die weiter oben angegebene Gleichung (1) hingewie­ sen werden darf; sie ist also abhängig von der maximalen Temperatur des in dem Meßrohr 3 strömenden Mediums 2, liegt jedoch typischerweise in der Größenord­ nung von 50 mm.

Vorzugsweise haben der Piezokristall 12 und der Schalltrichter 6 an dem dem Piezo­ kristall 12 zugewandten Ende einen Durchmesser von etwa 15 bis 20 mm, während der Schalltrichter 6 an seinem fensterseitigen Ende vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 5 mm hat.

Für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes 1 gilt weiter, wie Fig. 1 zeigt, daß am oberen Ende des Gehäuses 4 ein Flansch 13 und am unteren Ende des Gehäuses 9 ein Flansch 14 ausgebildet sind.

Das Gehäuse 9 wird also über seinen Flansch 14, Schrauben 15 und den Flansch 13 des Gehäuses 4 mit dem Gehäuse 4 verbunden. Zwischen den Flanschen 13 und 14 ist eine Dichtung 16 vorgesehen.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Innendurchmesser des Gehäuses 4 wesentlich größer als der Innendurchmesser des Gehäuses 9 im Be­ reich seines Flansches 14. Der Trichtermantel 7 stößt an seinem oberen Ende gegen das dem Gehäuse 4 zugewandte Ende des oberen Gehäuses 9. Der hier vorhandene Impedanzsprung führt nun dazu, daß zusätzlich reflektierte Schallsignale in die Dämpfung 10 eingekoppelt werden.

Durch die aus der Dämpfung 10 und der Impedanzanpassung 11 bestehende gute Dämpfung der Ultraschallsignale im Trichtermantel 7 ist die Gefahr des Übersprechens von Ultraschallsignalen vom Trichtermantel 7 auf das Gehäuse 4 stark verringert. Ins­ gesamt können für den erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopf 1 Stan­ dardmaterialien verwendet werden, was zu einer kostengünstigen Herstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangskopfes 1 ausgeführten Ultra­ schall-Durchflußmeßgerätes führt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des dem strömenden Medium 2 zugewand­ ten Endes des Schalltrichters 6 und des Trichtermantels 7. Durch die zentrale Anord­ nung des Schalltrichters 6 bezüglich des Fensters 8 wird eine maximale Schwin­ gungsamplitude des Fensters 8 erreicht, da die abgestrahlte akustische Energie Π_ac proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude u(s) ist, gemäß folgender Glei­ chung:

wobei R_r(S) der Abstrahlwiderstand der Fläche S und u(s) die Schwingungsamplitude ist; folglich wird auch ein Maximum der in das strömende Medium 2 eingekoppelten akustischen Energie erreicht.

Das Fenster 8, welches mit dem Trichtermantel 7 verschweißt ist, besteht in der Regel aus demselben Material wie der Trichtermantel 7. Sowohl für den Trichtermantel 7 als auch für das Fenster 8 wird beispielsweise Stahl, vorzugsweise Edelstahl verwendet. Auch für den Schalltrichter 6 wird Stahl, vorzugsweise Edelstahl verwendet, so daß es am Übergang vom Schalltrichter 6 zum Fenster 8 nur zu geringen oder zu keinen Schallreflexionen kommt.

Claims (15)

1. Sende- und/oder Empfangskopf eines Ultraschall-Durchflußmeßgerätes für strö­ mende Medien (2), das nach dem Laufzeit-Verfahren arbeitet, mit einem Gehäuse (4), mit einem Ultraschallsignale in das strömende Medium (2) aussendenden und/oder aus dem strömenden Medium (2) empfangenden Ultraschalltransducer (5) und mit ei­ nem Ultraschallwellenleiter, wobei die Ultraschallsignale über den Ultraschallwellen­ leiter in das strömende Medium (2) eingekoppelt und/oder aus dem strömenden Me­ dium ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschallwellenleiter ein länglicher Schalltrichter (6) mit einem großen Wärmeleitwiderstand vorgesehen ist.

2. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalltrichter (6) zumindest teilweise ein vorzugsweise kreiszylindrischer Trich­ termantel (7) zugeordnet ist.

3. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalltrichter (6) und vorzugsweise auch der Trichtermantel (7) an dem dem strömenden Medium (2) zugewandten Ende mit einem Fenster (8) abgeschlossen ist bzw. sind.

4. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Schalltrichters (6) in der Mitte des Fensters (8) angeordnet ist und der Durchmesser und die Dicke des Fensters (8) so dimensioniert sind, daß eine möglichst große Schwingungsamplitude des Fensters (8) erreichbar ist.

5. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schalltrichter (6) eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit auf­ weist.

6. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Trichtermantel (7) eine Dämpfung (10) vorgesehen ist.

7. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dämpfung (10) zumindest im wesentlichen über die gesamte Länge des Trich­ termantels (7) erstreckt und vorzugsweise mit dem Trichtermantel (7) verbunden ist.

8. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfung (10) fensterseitig eine Impedanzanpassung (11) vorgeschaltet ist.

9. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzanpassung (11) aus demselben Material wie die Dämpfung (10) besteht.

10. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Dämpfung (10) und/oder als Impedanzanpassung (11) gesinter­ tes oder poröses Material mit großer Körnung vorgesehen ist.

11. Sende- und/oder Empfangskopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfung (10) und/oder als Impedanzanpassung (11) Bronzesand oder Sinter­ bronze mit einer Korngröße von 10 µm bis 10 mm vorgesehen ist.

12. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschalltransducer (5) einen Piezokristall (12) aufweist und die zugeordnete Querschnittsfläche des Schalltrichters (6) der Querschnittsfläche des Piezokristalls (12) entspricht.

13. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschalltransducer (5) von dem Trichtermantel (7) akustisch entkoppelt ist.

14. Sende- und/oder Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschalltransducer (5) so dimensioniert ist, daß Kühlrippen nicht erforderlich sind.

15. Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit zwei Sende- und/oder Empfangsköpfen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und mit einer Steuer- und Auswerteschaltung, die die Laufzeit der Ultraschallsignale zur Bestimmung des Volumendurchflusses mißt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuer- und Auswerteschaltung anhand der Differenz zwischen der Gesamtlaufzeit der Ultraschallsignale zwischen den Ultra­ schalltransducern und der Summe der Laufzeiten der Ultraschallsignale in den Schall­ trichtern der Volumendurchfluß bestimmt wird.