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Die
Erfindung betrifft einen Messaufnehmer für eine Vorrichtung
zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses
eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, sowie eine diesen aufweisenden Durchflussmessvorrichtung.
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In
der Prozessdurchflussmesstechnik sind verschiedene Messverfahren
bekannt.
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Heutzutage
werden zumeist Turbinenradzähler eingesetzt, mit denen
relativ genau der Durchfluss gemessen werden kann.
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Zunehmend
werden für die Durchflussmessung auch Ultraschallzähler
eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus einem Messaufnehmer,
der ein Rohrstück mit angeschweißten Anschlussflanschen
umfasst und den Ultraschallsonden, die in in dem Rohrstück
des Messaufnehmers vorgesehene Aufnahmen einsetzbar sind, sowie
weiterer Hard- und Software zur Signalverarbeitung der Ultraschallsignale.
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Das
Messprinzip besteht in einer Detektion einer Laufzeitdifferenz zweier
Ultraschallsignale, die einmal eine Komponente in Strömungsrichtung
und einmal eine Komponente entgegen der Strömungsrichtung
aufweisen. Dazu müssen die Signale in einem bestimmten
Winkel ungleich 90° zur Strömungsachse abgesendet
bzw. empfangen werden.
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Zur
Realisierung dieses Winkels sind zwei Methoden bekannt.
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In
der einen weist der Messaufnehmer schräg an das Rohrstück
angeschweißte Stutzen auf, in die die Ultraschallsonden
eingesetzt werden, die dann das Ultraschallsignal in gerader Richtung abstrahlen
bzw. empfangen. Solche Konstruktionen sind zum Beispiel von der
Firma Daniel, Texas, USA bekannt. Das schräge Anschweißen
von Rohrstutzen ist insbesondere für kleine Nenndurchmesser
technisch kompliziert. Dabei ist zu bedenken, dass die die Ultraschallsonden
aufnehmenden Rohrstutzen mit sehr hoher Genauigkeit positioniert
werden müssen. Außerdem verlangt die notwendige
Zugänglichkeit zur Schweißnaht eine an sich nicht
notwendige Verlängerung des gesamten Messaufnehmers. Dies kann
zur Folge haben, dass beispielsweise Turbinenzähler nicht
ohne weiteres durch einen Ultraschallzähler ersetzt werden
können, sondern erst die vorhandene Rohrleitung, in die
der Zähler eingesetzt werden soll, gekürzt werden
muss, mit aufwendigen Arbeitsschritten, wie Abtrennen der Rohrleitung,
neues Wiederanschweißen des Flansches, neuerliche Dichtprüfungen
etc. Weiterhin erfordert die Schweißkonstruktion erhebliche
Prüfaufwendungen und es kann beim Schweißen zu
thermischen Verzügen kommen, wodurch die notwendige Präzision
der Ultraschallsondenaufnahmen nicht gewährleistet ist. Weiter
ist eine Serienfertigung eines solchen Messaufnehmers nicht möglich,
da konstruktiven Details, die die Sondenaufnahme betreffen, wie
Position der Aufnahmen, Anzahl der Aufnahmen, und die entsprechenden
Arbeiten, wie Vorbereiten der Stutzen, Schweißen, Prüfen,
mechanische Nacharbeitung, in Einzelarbeit durchgeführt
werden müssen. Insgesamt ist der Herstellungsaufwand erheblich
und mit entsprechend hohen Kosten verbunden.
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In
der anderen Realisierung werden angeschrägte Ultraschallsonden
senkrecht zur Messaufnehmerachse eingebaut, die die Ultraschallsignale
in die durch die Abschrägung definierte Richtung aussenden.
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Ein
derartiger Gaszähler mit abgeschrägten Sonden
ist im Markt erhältlich und wird von der Firma Instromet
GmbH angeboten. Der Messaufnehmer dieses Zählers weist
eine im Querschnitt sechseckige Außenkontur auf. In die
einzelnen Flächen des nach außen sechseckigen
Mittelstücks sind die angeschrägten Ultraschallsonden
in geeignete Aufnahmen senkrecht zur Messaufnehmerachse einsetzbar. Nachteilig
ist hierbei, dass die angeschrägten Ultraschallsonden in
den Fluidstrom hineinragen und damit das Strömungsprofil
stören, was zu Messungenauigkeiten führt. Gerade
im Betrieb als Gaszähler sind sehr hohe Genauigkeiten gefordert,
denn geringste Fehler in dem gemessenen Durchfluss können
bereits immense Kostenfaktoren bedeuten, wenn man bedenkt, dass
der Zähler beispielsweise von Gaslieferanten, die sehr
große Gasmengen liefern, eingesetzt wird. Weiter nachteilig
ist, dass die angeschrägten Sonden nur in einem bestimmten Frequenz-
und Leistungsbereich betreibbar sind. Aus den Einsatzbeschränkungen
folgt, dass möglichst lange Messpfade realisiert werden
müssen, wie dies im einzelnen in der
US 6,041,663 beschrieben ist. Insbesondere
enthalten die Messpfade Reflexionen an Wänden des Messaufnehmers,
wodurch es zur Verlängerung des gesamten Messaufnehmers kommt,
wodurch hier ebenfalls der Nachteil entsteht, das bisherige Zähler
nicht ohne größeren Arbeitsaufwand und eventuelles
Kürzen von Rohrleitungen ersetzt werden können.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen
verbesserten Messaufnehmer bereitzustellen, mit dem die vorgenannten
Nachteile vermieden werden können und der insbesondere
bisherige Messvorrichtungen ohne größeren Aufwand
ersetzen kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen
Messaufnehmer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Nach
der Erfindung weist der Messaufnehmer an seinem rohrartigen Mittelstück
außenseitig wenigstens zwei, im wesentlichen ebene Aufnahmeflächen
auf, die diametral gegenüberliegend ein Aufnahmeflächenpaar
bilden. Durch die in den gegenüberliegenden Aufnahmeflächen
angeordneten Messkörper ist ein Messpfad definiert. Die
Aufnahmeflächen verlaufen zueinander parallel und sind
in einem Winkel zu einer Längsachse des Mittelstücks
angeordnet. Weiter ist an einer aufnahmeflächenfreien Seite
des Mittelstücks eine Signalauswerteeinheit angeordnet.
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In
dieser erfindungsgemäßen Ausbildung können
gerade abstrahlende Ultraschallsonden eingesetzt werden, wobei in
einfachster Weise durch die in einem Winkel zur Messaufnehmerachse
angeordneten ebenen Aufnahmeflächen die exakte Abstrahl- bzw.
Empfangsrichtung der Ultraschallsignale gewährleistet ist.
Der Winkel ist dabei so gewählt, dass eine Präzisionsbearbeitung
der Aufnahmeflächen noch problemlos an den Anschlussflanschen
vorbei erfolgen kann.
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Die
Sondenaufnahmen sind in einfachster Weise realisierbar, indem in
die Aufnahmeflächen lediglich die entsprechenden, die Aufnahmen
bildenden Bohrungen eingebracht werden können. Aufwendiges
Schweißen, das einen thermischen Verzug bewirkenden kann
und ein aufwendiges Prüfverfahren nach sich zieht, kann
entfallen. Dadurch können die Sonden in einfachster Weise
in den Messaufnehmer eingebracht werden und sind in einfachster
Weise hochpräzise positionierbar.
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Durch
die einfache Einbringung der Sondenaufnahme in den Messaufnehmer,
können die Positionen der Aufnahmen variabel gehalten sein,
d. h. der Messaufnehmer ist grundsätzlich in seiner Rohform für
jede Ausführungsvariante gleich. Die Variation wird lediglich
durch die entsprechende Positionierung und Anzahl der Aufnahmen
erreicht. Dadurch ist eine gewisse, sehr kostengünstige
Standardisierung gegeben. Selbstverständlich betrifft diese
Standardisierung verschiedene Nenndurchmesser und Anschlussflanschgrößen.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung der Aufnahmeflächen
ist an einer aufnahmeflächenfreien Seite des Mittelstücks
ausreichend Platz gehalten für die Anordnung der Signalauswerteeinheit.
Es ist dann keine separate Halterung notwendig. Die Signalauswerteeinheit
kann direkt an das Mittelstück des Messaufnehmers befestigt,
beispielsweise geschraubt, werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Mit
der Erfindung lässt sich ein Messaufnehmer realisieren,
dessen Länge etwa das Dreifache des Durchmessers der Rohrleitung
beträgt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bekannte
Turbinenradzähler problemlos ersetzbar sind, da diese diese
Abmessungen aufweisen.
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Um
die Genauigkeit der Durchflussmessung durch weitere Messpfade zu
erhöhen, sind in Weiterbildung der Erfindung wenigstens
zwei weitere ein weiteres Aufnahmeflächenpaar bildende
Aufnahmeflächen vorgesehen, die gegenüber den
ersten Aufnahmeflächen um eine Achse, die parallel zu den ersten
Aufnahmeflächen und senkrecht zur Längsachse verläuft,
verdreht angeordnet sind.
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In
einer platzsparenden Anordnung sind in Längsrichtung benachbarte
Aufnahmeflächen spiegelsymmetrisch zu einer ersten, senkrecht
zur Längsachse verlaufenden Mittelebene des Messaufnehmers
angeordnet.
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In
einfachster Weise wird eine präzise Ausrichtung der Messkörper
erreicht, wenn die Messrichtung der Messkörper senkrecht
zur jeweiligen Aufnahmefläche ist.
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Zur
Erhöhung der Messgenauigkeit des Durchflusses sind verschiedene
Messpfade mit unterschiedlichem Abstand zur Längsachse
vorgesehen. Dadurch können Einflüsse des Strömungsprofils bei
der Bestimmung des Gesamtdurchflusses durch geeignete Integrationsverfahren über
die Messpfade besser berücksichtigt werden. Vorteilhaft
sind dabei in wenigstens einem der Aufnahmeflächenpaare
wenigstens zwei Messpfade vorgesehen.
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Um
gänzlich auf ein Schweißen verzichten zu können,
sind das Mittelstück mit den Anschlussflanschen und den
Messkörperaufnahmen einstückig ausgebildet, vorzugsweise
ist der Messaufnehmer in einem Gießverfahren vorgefertigt.
Das Gießverfahren kann vorteilhaft angewendet werden, wenn
auf kompliziert auszuformende Stutzen komplett verzichtet werden
kann. Ein derart monolithisch ausgebildeter Messaufnehmer muss dann
lediglich durch mechanische Nachbearbeitung in die gewünschte
Form gebracht werden, wobei die Nachbearbeitung an den Stellen des
Messaufnehmers vorgenommen wird, an denen eine hohe Präzision
und/oder eine Oberfläche mit definierter Rauhheit erforderlich
ist, wie beispielsweise die Aufnahmeflächen mit den Messkörperaufnahmen.
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Durch
die monolithische Ausbildung des Messaufnehmers und die in einem
Winkel angeordneten Aufnahmeflächen ist zumindest bereichsweise genügend
Wandstärke vorhanden, so dass elektrische Verbindungen
zwischen den Messkörpern und der Signalauswerteeinheit
verdeckt führbar sind, vorzugsweise indem die Verbindungen
zumindest bereichsweise in der Wandung des Messaufnehmers geführt
sind, wozu in besonders bevorzugter Weise im Mittelstück
in der Wandung verlaufende Bohrungen vorgesehen sind, in denen die
Verbindungen geführt sind. Die Bohrungen erstrecken sich
vorzugsweise von der jeweiligen Aufnahmefläche bis zu einem
Befestigungsbereich für die Signalauswerteeinheit.
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Um
auch die Messaufnehmer durch Abdeckung schützen zu können,
sind diese mit wenigstens einer Kappe abdeckbar, wobei die Kappe
vorzugsweise auch jeweils die zum Messkörper zugehörige
Verbindung zumindest auf einem Teil ihrer Länge abdeckt.
Vorteilhaft einfach ist es, wenn die Kappe die gesamte Aufnahmefläche
zusammen mit dem bzw. den Messkörpern und dem bzw. den
Verbindungskabeln abdeckt.
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Eine
verdeckte Führung der elektrischen Verbindungsleitungen
hat den besonderen Vorteil, dass die Leitungen vor einer versehentlichen
oder wissentlichen Zerstörung komplett geschützt
sind. Prozessdurchflussmessgeräte mit einem Messaufnehmer
nach der Erfindung werden in rauhen Industrieumgebungen, z. B. in
der chemischen Industrie, auf Erdgasförderfeldern, in Übergabestationen
oder in Transmissionsleitungen eingesetzt. In diesen Umgebungen
werden die Geräte, die je nach Nenndurchmesser ein erhebliches
Gewicht haben können, mit schweren Geräten, wie
Gabelstapler oder dergleichen, gehandhabt. Freiliegende Kabel bedeuten dabei
ein erhebliches Ausfallrisiko, da sie bei Montage, Inspektion oder
Wartung abgerissen oder beschädigt werden können.
Desweiteren sind die Kabel der Witterung und sonstigen Umwelteinflüssen,
wie z. B. Wildverbiss, ausgesetzt. Verdeckte Kabel sind vor diesen
Einflüssen weitgehend geschützt. Ein weiterer
Vorteil verdeckter Kabel ist, dass die Handhabbarkeit des Durchflussmessgerätes
erheblich verbessert ist, da keine störenden Kabel frei
liegen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten
Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder
des Durchflusses eines Fluids, die durch den Einsatz des erfindungsgemäßen
Messaufnehmers gelöst wird.
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Bevorzugt
wird diese Vorrichtung als Gaszähler eingesetzt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
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2 eine
Draufsicht des Messaufnehmers aus 1;
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3 bis 6 Querschnitte
entlang der Linien III-III, IV-IV, V-V und VI-VI aus 1;
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7 eine
Ansicht einer Kappe;
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8 einen
Querschnitt der Kappe aus 7.
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Ein
erfindungsgemäßer Messaufnehmer 10 weist
ein rohrartiges Mittelstück 12 auf, das zwischen Anschlussflanschen 14 und 16 angeordnet
ist. Das Mittelstück 12 ist in seinem Inneren
vorzugsweise kreisrund mit einer Nennweite D ausgebildet entsprechend
einer an die Anschlussflansche 14 und 16 anzuschließenden,
nicht näher dargestellten Rohrleitung für ein
Fluid.
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Außenseitig
weist das Mittelstück 12 wenigstens zwei und bevorzugt
vier im wesentlichen ebene Aufnahmeflächen 18, 20, 22 und 24 auf,
die sich paarweise parallel gegenüberliegen und so jeweils ein
Aufnahmeflächenpaar 18–20 und 22–24 bilden. Die
Aufnahmeflächen sind in einem Winkel zur Längsachse 26 des
Mittelstücks 12, die auch die Messaufnehmer- und
Strömungsachse bildet, angeordnet. Die Aufnahmeflächenpaare 18–20 und 22–24 sind
lediglich um eine Achse 28, die parallel zu den Aufnahmeflächen
und senkrecht zur Längsachse 26 des Messaufnehmers 10 verläuft,
verdreht angeordnet. Dadurch können die vier Aufnahmeflächen
in bauraum- und materialsparender Anordnung vorgesehen sein.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt
der Winkel zwischen einer Flächennormalen und der Längsachse 26 ca.
60°. Andere Winkel sind möglich. Der Winkel richtet
sich danach, wie gut die Aufnahmefläche noch mit einem
Bearbeitungswerkzeug erreicht werden kann und wie groß die Schräglage
der weiter unten beschriebenen Messpfade sein soll.
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In
dieser Anordnung sind die in Längsrichtung benachbarten
Aufnahmeflächen 18 und 22 bzw. 20 und 24 spiegelsymmetrisch
zu einer senkrecht zur Längsachse 26 verlaufenden
Mittelebene 30 angeordnet.
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Bevorzugt
beträgt die Länge L des Messaufnehmers 10 etwa
das Dreifache der Nennweite D.
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Die
Aufnahmeflächen 18 und 20 weisen je eine
Aufnahme 32 bzw. 34 auf, in die ein Messkörper 35,
beispielsweise ein Ultraschallwandler, der im weiteren kurz Sonde
genannt wird, einsetzbar ist. In 3 ist eine
solche Sonde schematisch bei dem Bezugszeichen 35 dargestellt.
Die Aufnahmen 32 und 34 fluchten exakt miteinander,
so daß die in die Aufnahmen 32 und 34 eingesetzten
Sonden 35 zueinander ausgerichtet sind und einen Messpfad 36 definieren.
Dabei senden und empfangen die Sonden den Ultraschall geradlinig
in ihrer Längsrichtung entlang des Messpfads 36.
Der Messpfad 36 schneidet in diesem Ausführungsbeispiel
die Messaufnehmerachse 26.
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Um
auch in außermittigen Strömungsbereichen messen
zu können, sind in den Aufnahmeflächen 22 und 24 entsprechende
Aufnahmen 38 und 40 bzw. 42 und 44 vorgesehen,
in die in gleicher Weise Sonden einsetzbar sind und so Messpfade 46 und 48 definieren,
die nun außerhalb der Mitte des Rohrquerschnitts des Messaufnehmers 10 mit
Abstand zur Messaufnehmerachse 26 verlaufen.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei
Messpfade 36, 46 und 48 geschaffen. Prinzipiell
wäre es denkbar, dass weitere Messpfade in gleicher Weise
vorgesehen sein können. Die Sonden weisen in dem Ausführungsbeispiel einen
Befestigungsflansch 37 auf, mit dem sie auf den Aufnahmeflächen 18, 20, 22 bzw. 24 festlegbar sind,
wozu in den Aufnahmeflächen entsprechende Befestigungsmöglichkeiten,
wie Gewindebohrungen 50 vorgesehen sind. Entsprechend der
Größe der Befestigungsflansche 37 können
in diesem Ausführungsbeispiel nur eine begrenzte Anzahl
von Sonden auf einer Aufnahmefläche vorgesehen werden.
Alternativ können die Sonden mit Überwurfmuttern
in Gewindelöcher druckfest befestigt werden. In diesem Ausführungsbeispiel
würde die Anzahl der Messpfade durch den Außendurchmesser
der Überwurfmutter beschränkt.
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An
seiner Oberseite 52 ist der Messaufnehmer 10 abgeflacht
ausgebildet und weist einen Befestigungsbereich 54 für
eine Signalauswerteeinheit 56 auf, die in 1 schematisch
bei 56 dargestellt ist. Die Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 erstrecken sich
bis an die Oberseite 52, so dass im Bereich der Oberseite 52 die
Wandstärke des Mittelstücks 12 so dick
ausgebildet ist, dass etwa parallel zur Oberfläche 52 und
in der Wandung verlaufende Bohrungen 58, 60, 62 und 64 vorgesehen
sind, die sich von den Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 bis
zu dem Befestigungsbereich 54 erstrecken.
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Durch
diese Bohrungen 58, 60, 62, 64 können
elektrische Verbindungskabel von der Signalauswerteeinheit 56 durch
einen Befestigungsfuß 57 der Signalauswerteeinheit 56 zu
den einzelnen Sonden geführt werden. Dadurch sind die Kabel
von der Signalauswerteeinheit bis zu dem Austritt aus den Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 verdeckt
innerhalb der Wandung des Mittelstücks 12 und
innerhalb des Befestigungsfußes 57 geführt.
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Weiter
ist für jede Aufnahmefläche 18, 20, 22, 24 eine
Kappe 66 vorgesehen, mit dem die Sonden und auch die aus
den Bohrungen 58, 60, 62, 64 herausgeführten
Kabel abdeckbar sind. Die Kappen 66 können in
geeigneter Weise, beispielsweise durch jeweils vier Schrauben, an
das Mittelstück 12 festlegbar sein. Die Kappen 66 sind
vorzugsweise derart dimensioniert, dass ihre Außenränder 68 entlang
der Ränder der jeweiligen Aufnahmeflächen verlaufen und
somit durch die Kappen 66 jeweils die gesamte Aufnahmefläche
abdeckbar ist.
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Der
Messaufnehmer 10 ist einstückig ausgebildet, d.
h. das Mittelstück 12 mit den Anschlussflanschen 14 und 16 und
den Messkörperaufnahmen 32, 34, 38, 40, 42, 44 sind
aus einem Stück Material gebildet und nicht durch Schweißen
oder dergleichen Verbindung aus Einzelteilen zusammengesetzt. Bevorzugt
wird der Messaufnehmer 10 in einem Gießverfahren
vorgefertigt und anschließend werden die Bereiche, die
präzise gefertigt sein müssen, wie z. B. die Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 mit
den Sondenaufnahmen 32, 34, 38, 40, 42 44 durch
mechanische Bearbeitung präzise geformt.
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Der
Messaufnehmer 10 ist Teil einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder
des Durchflusses eines Fluids, insbesondere eines Gaszählers.
Der Gaszähler setzt sich dabei aus den Komponenten Messaufnehmer 10,
Messkörper 35 (Ultraschallsonden), Signalauswerteeinheit 56 und
den entsprechenden elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den
Messkörpern 35 und der Signalauswerteeinheit zusammen.
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Der
durch das Innere des Messaufnehmers 10 strömende
Fluiddurchfluss wird bestimmt, indem die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale
in und entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird und aus
dieser Differenz die Strömungsgeschwindigkeit und damit
der Durchfluss ausgerechnet wird. Die Ultraschallsonden 35 dienen
dabei sowohl als Sender wie auch als Empfänger, so dass
jeder Messpfad von den Ultraschallsignalen in beiden Richtungen
genutzt wird.
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Damit
Inhomogenitäten im Strömungsprofil über
den Querschnitt nicht das Ergebnis verfälschen, sind mehrer
Messpfade 36, 46, 48 vorgesehen, die das
Strömungsprofil an unterschiedlichen Stellen, also mit
unterschiedlichem Abstand zur Messaufnehmerachse 26 durchwandern.
Aus den Einzelergebnissen für die einzelnen Messpfade ergibt
sich durch geeignete Integrationsverfahren der Durchfluss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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