DE202023107020U1 - Sound speed sensor - Google Patents

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Abstract

Schallgeschwindigkeitssensor (10) für ein Fluid (FL), mit mindestens einer Messkammer (11), in welcher mindestens ein Schallwandler (14, 15) angeordnet ist, wobei zu der Messkammer (11) mindestens eine Eintrittsöffnung (12) und mindestens eine Austrittsöffnung (13) führt und die Messkammer (11) von dem Fluid (FL) zur Realisierung einer Messung befüllbar/durchströmbar ist, wobei der Schallgeschwindigkeitssensor (10) in einer von dem Fluid (FL) durchströmten Fluidleitung (1) angeordnet ist und von Fluid (FL) umströmt ist. Sound velocity sensor (10) for a fluid (FL), with at least one measuring chamber (11) in which at least one sound transducer (14, 15) is arranged, wherein at least one inlet opening (12) and at least one outlet opening (13) lead to the measuring chamber (11) and the measuring chamber (11) can be filled/flowed through by the fluid (FL) to realize a measurement, wherein the sound velocity sensor (10) is arranged in a fluid line (1) through which the fluid (FL) flows and around which fluid (FL) flows.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallgeschwindigkeitssensor nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.The invention relates to a sound velocity sensor according to the preamble of the first claim.

In DE 10 2011 121 867 A1 wird ein Verfahren zur Messung von thermodynamischen Zustandsgrößen von Gasen oder Flüssigkeiten beschrieben. Das Verfahren verfügt über eine Empfänger- und/oder Sendeeinrichtung, einen elektromagnetischen Schwinger und/oder Resonator (Schallwandler) sowie eine Piezoelementanordnung, welche den Schall erzeugt. Das Messsystem eignet sich für Temperaturen deutlich über 200°C. Der Resonator wird durch einen zylindrischen Körper gebildet, an dessen Rückwand der Schallwandler angebracht ist. Der Schallwandler erfasst die jeweilige reflektierte Welle und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal weiter, welches ausgewertet wird.In EN 10 2011 121 867 A1 A method for measuring thermodynamic state variables of gases or liquids is described. The method has a receiver and/or transmitter, an electromagnetic oscillator and/or resonator (sound transducer) and a piezo element arrangement that generates the sound. The measuring system is suitable for temperatures well above 200°C. The resonator is formed by a cylindrical body, on the back wall of which the sound transducer is attached. The sound transducer detects the respective reflected wave and transmits a corresponding electrical signal, which is evaluated.

In DE 10 2011 102 641 A1 werden eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur quantitativen Erfassung mindestens einer physikalischen Größe eines Gases oder Flüssigkeit beschrieben. Das Verfahren verfügt über zwei Messkammern, die über eine Trennwand miteinander verbunden sind. Die Messkammern sind mit Schallwandlern ausgestattet. Die Messung erfolgt über einem Nullabgleich eines bekannten Referenzmediums und dem unbekannten Probemediums. Das Verfahren verfügt über einen piezoelektrischen Schwinger, der zeitgleich in das Referenz- und Probemedium einkoppelt.In EN 10 2011 102 641 A1 A device or a method for quantitatively recording at least one physical quantity of a gas or liquid is described. The method has two measuring chambers that are connected to each other via a partition wall. The measuring chambers are equipped with sound transducers. The measurement is carried out by zeroing a known reference medium and the unknown sample medium. The method has a piezoelectric oscillator that couples into the reference and sample medium at the same time.

In EP 3 612 829 B1 wird ein akustischer Sensor beschrieben, der über eine Seitenwand und eine zweite Endwand um einen fluidgefüllten zylindrischen Hohlraum verfügt. Der Sensor nutzt die unterschiedlichen akustischen Resonanzen von Gasen für das zugrunde liegende Messprinzip aus, um auf charakterisierende Schallgeschwindigkeiten zu schließen (lineare Proportionalität).In EP 3 612 829 B1 describes an acoustic sensor that has a side wall and a second end wall around a fluid-filled cylindrical cavity. The sensor uses the different acoustic resonances of gases for the underlying measuring principle in order to determine characteristic sound velocities (linear proportionality).

In DE 10 2008 014 300 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung von Zustandsänderungen von Stoffgemischen mittels Messung der Schallgeschwindigkeit mittels eines Schallwandlers beschrieben. Diese Zustandsänderungen werden über die Dämpfung des eingebrachten Ultraschalls bzw. und/oder der Schallgeschwindigkeit bestimmt.In EN 10 2008 014 300 A1 A method is described for determining changes in the state of mixtures of substances by measuring the speed of sound using a sound transducer. These changes in state are determined by the attenuation of the introduced ultrasound and/or the speed of sound.

In DE 10 2005 051 876 B3 wird ein fluidisch-akustischer Oszillator beschrieben, in dessen Resonanzkammern Schallwellen erzeugt werden, die mittels dynamischer Druckwandler in elektrische Signale umgewandelt werden. Dieser Oszillator ist vorzugweise für binäre Gasgemische bei Temperaturen bis 300°C anzuwenden.In EN 10 2005 051 876 B3 A fluidic-acoustic oscillator is described in whose resonance chambers sound waves are generated, which are converted into electrical signals by means of dynamic pressure transducers. This oscillator is preferably used for binary gas mixtures at temperatures up to 300°C.

In DE 36 13 125 A1 wird ein planarer akustischer Gaszusammensetzungssensor beschrieben, der für verschmutzte Gase bei Temperaturen bis 100°C eingesetzt werden kann. Der Sensor besteht aus fünf planaren Platten (zwei Schwingplatten, einer Trennplatte und zwei Hüllplatten). Diese Bauweise zeichnet sich durch eine einfache Montage und Demontage aus.In EN 36 13 125 A1 A planar acoustic gas composition sensor is described that can be used for contaminated gases at temperatures up to 100°C. The sensor consists of five planar plates (two vibrating plates, one separating plate and two enveloping plates). This design is characterized by easy assembly and disassembly.

In EP 2 788 748 B1 wird ein akustischer Sensor beschrieben, der im Wesentlichen über einen scheibenförmigen akustischen Hohlraum und kreisförmigen Endwänden besteht. Die Endwände sind mit Schallwandlern ausgestattet, die die generierten Druckschwankungen in oszillierende elektrische Signale überführen.In EP 2 788 748 B1 describes an acoustic sensor that essentially consists of a disk-shaped acoustic cavity and circular end walls. The end walls are equipped with sound transducers that convert the generated pressure fluctuations into oscillating electrical signals.

Der entscheidende Nachteil dieser Sensoren besteht darin, dass diese nicht platzsparend und meist außerhalb der Fluidleitungen angeordnet sind.The decisive disadvantage of these sensors is that they do not save space and are usually arranged outside the fluid lines.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Schallgeschwindigkeitssensor zu entwickeln, der platzsparend angeordnet ist. Darüber hinaus soll eine Prozessintegration zur Prozessüberwachung realisierbar sein.The object of the invention is therefore to develop a sound velocity sensor that is arranged in a space-saving manner. In addition, process integration for process monitoring should be possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.This object is achieved according to the invention with the features of the first claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Der erfindungsgemäße Schallgeschwindigkeitssensor für ein Fluid weist mindestens eine Messkammer auf, in welcher mindestens ein Schallwandler angeordnet ist, wobei zu der Messkammer mindestens eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung führen und die Messkammer von dem Fluid zur Realisierung einer Messung befüllbar/durchströmbar ist, wobei der Schallgeschwindigkeitssensor in einer von dem Fluid durchströmten Fluidleitung angeordnet ist und von Fluid bevorzugt gleichmäßig umströmt ist.The sound velocity sensor for a fluid according to the invention has at least one measuring chamber in which at least one sound transducer is arranged, wherein at least one inlet opening and at least one outlet opening lead to the measuring chamber and the measuring chamber can be filled/flowed through by the fluid in order to realize a measurement, wherein the sound velocity sensor is arranged in a fluid line through which the fluid flows and is preferably evenly flowed around by the fluid.

Durch diese In-Line Anordnung des Schallgeschwindigkeitssensors direkt in der Fluidleitung wird eine platzsparende Ausgestaltung möglich und es können zuverlässige Messungen realisiert werden.This in-line arrangement of the sound velocity sensor directly in the fluid line enables a space-saving design and reliable measurements can be realized.

Vorzugsweise ist der Messkammer mindestens ein erster Schallwandler und mindestens ein zweiter Schallwandler angeordnet, wobei der erste und der zweite Schallwandler jeweils mit einer Mess-/Auswerteeinheit verbunden sind.Preferably, at least one first sound transducer and at least one second sound transducer are arranged in the measuring chamber, wherein the first and the second sound transducer are each connected to a measuring/evaluation unit.

Die Trennung der Schallwandler zur Messkammer erfolgt bevorzugt durch einen Deckel in Form eines Diaphragmas. Im Deckel ist eine Senkung, der Boden der Senkung fungiert als Diaphragma mit dem angeklebten Schallwandler. In diesem Deckel befinden sich die Löcher, seitlich vom Schallwandler sowie seitlich zur Senkung, durch welche das Fluid strömen kann.The separation of the sound transducers from the measuring chamber is preferably done by a cover in the form of a diaphragm. In the cover there is a sensor kung, the bottom of the depression acts as a diaphragm with the sound transducer glued to it. In this cover are the holes, to the side of the sound transducer and to the side of the depression, through which the fluid can flow.

Vorteilhafter Weise ist die Messkammer in einem diese umfangsseitig umhüllenden Mantel axial verschiebbar und drehfest angeordnet und der Mantel in der Fluidleitung gestellfest und für einen geringen Strömungsverlust bevorzugt mittig positioniert.Advantageously, the measuring chamber is arranged in a casing that surrounds it on the circumference so that it can be axially displaced and is rotationally fixed, and the casing is fixed to the frame in the fluid line and is preferably positioned centrally to minimize flow loss.

Bei geöffneter Eintritts- und Austrittsöffnung fließt das Fluid durch die Messkammer.When the inlet and outlet openings are open, the fluid flows through the measuring chamber.

Zur Durchführung einer Messung sind die Eintrittsöffnung/en der Messkammer verschließbar. Dazu ist beispielsweise an dem Mantel wenigstens ein radial nach innen weisender Anschlag vorhanden, mit dem die mindestens eine Eintrittsöffnung/en verschließbar ist/sind.To carry out a measurement, the inlet opening(s) of the measuring chamber can be closed. For this purpose, for example, there is at least one radially inward-pointing stop on the casing, with which the at least one inlet opening(s) can be closed.

Weiterhin sind zur Durchführung der Messungen auch die Austrittsöffnungen der Messkammer verschlossen.Furthermore, the outlet openings of the measuring chamber are also closed in order to carry out the measurements.

Zur Realisierung der geschlossenen ersten Position, in welcher eine Messung erfolgt, liegt die Messkammer an dem radial nach innen weisenden Anschlag des Mantels an und die Eintrittsöffnungen sind verschlossen. Weiterhin verschießt der Mantel umfangsseitig die Austrittsöffnungen.To achieve the closed first position in which a measurement is carried out, the measuring chamber rests against the radially inward-facing stop of the casing and the inlet openings are closed. The casing also closes the outlet openings on the circumference.

Die Messkammer ist in einer zweiten Position, in welcher bevorzugt keine Messung erfolgt, von dem Anschlag beabstandet, so dass die mindestens eine Eintrittsöffnung frei ist. In dieser zweiten Position wurden durch den Mantel auch die mindestens eine Austrittsöffnung der Messkammer freigegeben. Durch die mindestens eine Eintrittsöffnung tritt nun Fluid aus der Leitung in die Messkammer ein und aus der mindestens einen Austrittsöffnung aus der Messkammer in die Leitung aus.In a second position, in which preferably no measurement is carried out, the measuring chamber is spaced from the stop so that the at least one inlet opening is free. In this second position, the at least one outlet opening of the measuring chamber is also freed up by the casing. Fluid now enters the measuring chamber from the line through the at least one inlet opening and exits the measuring chamber into the line through the at least one outlet opening.

Zur Realisierung einer Axialbewegung der Messkammer zu deren Verschieben in Bezug auf den Mantel für das Öffnen und Schließen der Ein- und Austrittsöffnung/en steht die Messkammer mit einem Elektromagneten in Wirkverbindung, bei dessen Betätigung die Messkammer entgegen einer Federkraft einer Feder (bevorzugt eine Druckfeder) aus der geschlossenen ersten (Mess-) Position in die geöffnete zweite (Durchström-) Position innerhalb des Mantels axial verschiebbar ist.In order to realize an axial movement of the measuring chamber to move it in relation to the casing for opening and closing the inlet and outlet opening(s), the measuring chamber is operatively connected to an electromagnet, upon actuation of which the measuring chamber can be axially displaced against a spring force of a spring (preferably a compression spring) from the closed first (measuring) position to the open second (flow-through) position within the casing.

Die Messkammer weist dabei ein Gehäuse mit einem Hohlraum und an ihren beiden Enden Verschlusselemente auf, die an ihren Außenseiten beispielsweise flach (zur Resonanz) ausgebildet ist. Die flache Außenseite mit einer dünnen Trennwand zur Messkammer hin ist notwendig zur Resonanzmessung.The measuring chamber has a housing with a cavity and closure elements at both ends, which are designed to be flat on their outer sides (for resonance). The flat outer side with a thin partition wall towards the measuring chamber is necessary for resonance measurement.

Alternativ kann auch zumindest die in Anströmrichtung des Fluids angeordnete Außenseite des in Anströmrichtung positionierten Verschlusselementes zur Reduzierung des Strömungswiderstandes entsprechend ausgeführt sein, beispielsweise mit einer sphärisch gekrümmten Oberfläche, insbesondere ballig oder in Form eines Kegels. Dabei weist das in Anströmrichtung angeordnete erste Verschlusselement die Eintrittsöffnungen auf.Alternatively, at least the outside of the closure element positioned in the flow direction, which is arranged in the flow direction of the fluid, can be designed accordingly to reduce the flow resistance, for example with a spherically curved surface, in particular spherical or in the shape of a cone. The first closure element arranged in the flow direction has the inlet openings.

Die Austrittsöffnungen führen bevorzugt axial oder in einem Winkel durch das zweite Verschlusselement und/oder bevorzugt radial durch das Gehäuse.The outlet openings preferably lead axially or at an angle through the second closure element and/or preferably radially through the housing.

Das erste und zweite Verschlusselement weisen in Richtung zum Hohlraum der Messkammer den ersten und zweiten Schallwandler auf. Bevorzugt ist je eine Aussparung in Richtung zum Hohlraum in jedem Verschlusselement vorgesehen, in welchem jeweils ein Schallwandler positioniert ist.The first and second closure elements have the first and second sound transducers in the direction of the cavity of the measuring chamber. Preferably, a recess is provided in the direction of the cavity in each closure element, in which a sound transducer is positioned.

Um einen guten Durchfluss auch bei eventuellen Verschmutzungen des Fluids zu garantieren, weisen die Austrittsöffnungen vorteilhafter Weise einen größeren Durchmesser auf, als die Eintrittsöffnungen.In order to guarantee good flow even if the fluid is contaminated, the outlet openings advantageously have a larger diameter than the inlet openings.

Der erste und der zweite Schallwandler bestehen bevorzugt aus Materialien, die einen piezoelektrischen Effekt aufweisen. Dies können beispielsweise Piezokristalle, Piezokeramik, z.B. technischer Keramik wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder auch Schwingquarze sein. Die Schallwandler sind insbesondere zum Messen und zum Anregen ausgebildet.The first and second sound transducers are preferably made of materials that have a piezoelectric effect. These can be, for example, piezo crystals, piezo ceramics, e.g. technical ceramics such as lead zirconate titanate (PZT) or quartz oscillators. The sound transducers are designed in particular for measuring and for excitation.

Der in eine Fluidleitung integrierte Schallgeschwindigkeitssensor kann beispielsweise zur Bestimmung der Dichte und/oder Wärmekapazität eines Fluids eingesetzt werden. Das Fluid kann beispielsweise ein Wärmeträger oder ein Kältemittel in einem Wärmeträgerkreislauf oder Kältemittelkreislauf sein (oder auch Gas Pipelines, etc.).The sound velocity sensor integrated into a fluid line can be used, for example, to determine the density and/or heat capacity of a fluid. The fluid can, for example, be a heat transfer medium or a coolant in a heat transfer medium circuit or coolant circuit (or gas pipelines, etc.).

De erfindungsgemäße Lösung wird bevorzugt für einphasige, insbesondere gasförmige Medien eingesetztThe solution according to the invention is preferably used for single-phase, in particular gaseous media

Über die Messung der Medien mittels des erfindungsgemäßen Schallgeschwindigkeitssensors als Inline-Variante in der Fluidleitung kann auf einfache und elegante Weise über die Dichte des Fluids auf dessen Wärmekapazität geschlossen werden. Dies ist wiederum ein wichtiger Wert für die Berechnung der Energiebilanz in einem Wärmeträgerkreislauf oder Kältemittelkreislauf.By measuring the media using the sound velocity sensor according to the invention as an inline variant in the fluid line, the density of the fluid can be used to determine its heat capacity in a simple and elegant way. This is in turn an important value for the calculation Calculation of the energy balance in a heat transfer medium circuit or refrigerant circuit.

Es kann in der Leitung zusätzlich ein Zugang für einen Temperatur- und/ Drucksensor (nicht dargestellt) integriert werden.An additional access for a temperature and/or pressure sensor (not shown) can be integrated into the line.

Entgegen der Federkraft wird ein von außen gewickelter (Wicklung nicht dargestellt) Elektromagnet betätigt und dadurch die Messkammer nach Beendigung eines Messvorganges geöffnet, sodass das Fluid durch diese strömen kann.An electromagnet wound from the outside (winding not shown) is actuated against the spring force, thereby opening the measuring chamber after completion of a measuring process so that the fluid can flow through it.

Durch die Messkammer mit kegelförmigen Enden ist es möglich, deren Strömungswiderstand zu reduzieren.The measuring chamber with conical ends makes it possible to reduce its flow resistance.

Bevorzugt umfasst der Eintritt sechs axial verlaufende Eintrittsöffnungen, insbesondere mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Austrittsseitig sind bevorzugt zehn gleichmäßig über den Umfang verteilte (im Winkel von 36°) radiale Löcher angeordnet, deren Durchmesser beispielsweise 2 mm beträgt.The inlet preferably comprises six axially extending inlet openings, in particular with a diameter of 1.5 mm. On the outlet side, ten radial holes are preferably arranged, evenly distributed over the circumference (at an angle of 36°), the diameter of which is, for example, 2 mm.

Die Fluidleitung kann mithilfe von Flanschen oder anderen passenden Verbindungen mechanisch an ein System, welches von dem Fluid durchströmt wird, angeschlossen werden.The fluid line can be mechanically connected to a system through which the fluid flows by means of flanges or other suitable connections.

Der vordere Kegel besitzt axial symmetrische Löcher über die das Fluid hereinströmen kann.The front cone has axially symmetrical holes through which the fluid can flow.

Beide Schallwandler sind über feine Kabel (z.B. IEC 60228 Klasse 6, VDE 0295) mit einem nicht dargestellten Lock-In Verstärker verbunden, der als Oszillator sowie zur Frequenzmessung verwendet wird.Both transducers are connected via fine cables (e.g. IEC 60228 Class 6, VDE 0295) to a lock-in amplifier (not shown), which is used as an oscillator and for frequency measurement.

Die Fluidströmung verläuft im geöffneten Zustand des Schallgeschwindigkeitssensors durch den vorderen Kegel hin zu den radialen Austrittlöchern vor dem hinteren Kegel.When the sound velocity sensor is open, the fluid flow passes through the front cone to the radial outlet holes in front of the rear cone.

Bei einem deaktivierten Elektromagneten schließt durch die Rückstellkraft der Feder die Messkammer, ohne elektrische Störfelder oder Signale zu erzeugen.When an electromagnet is deactivated, the restoring force of the spring closes the measuring chamber without generating electrical interference fields or signals.

Der entsprechend ausgelegte Elektromagnet (abhängig von Dichte und Geschwindigkeit öffnet die Messkammer bei dessen Betätigung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder vor einem Messvorgang. Die Feder wird dabei nach Dichte und Geschwindigkeit ausgelegt und der Elektromagnet entsprechend der Feder mit einer größeren Kraft als die Kraft der Feder.The appropriately designed electromagnet (depending on density and speed) opens the measuring chamber when it is activated against the spring force of the return spring before a measuring process. The spring is designed according to density and speed and the electromagnet corresponds to the spring with a force greater than the force of the spring.

Es ist möglich, zur Anpassung der Federkraft, bei veränderlicher Dichte vom Fluid noch eine Spindel zusätzlich zur Feder zu integrieren, wie bei Sicherheitsventilen bereits angewandt.It is possible to integrate a spindle in addition to the spring to adjust the spring force when the density of the fluid changes, as is already done with safety valves.

Die Messkammer ist zur Realisierung der Axialbewegung für den Öffnungsvorgang und den Schließvorgang in dem (rohrförmigen) Mantel gelagert, so dass der radial nach innen weisende Anschlag auch zur Dichtung der Eintrittsöffnungen beim Messvorgang verwendet wird.The measuring chamber is mounted in the (tubular) casing to realize the axial movement for the opening and closing process, so that the radially inward-pointing stop is also used to seal the inlet openings during the measuring process.

Nachfolgend wird das Messprinzip erläutert:The measuring principle is explained below:

Die Schallwandler sind bevorzugt identische Piezokeramiken mit festgelegten Maßen. Beide Schallwandler können zum Messen als auch zum Anregen verwendet werden. Der erste Schallwandler wird bei mit Fluid gefüllter und geschlossener Messkammer mit hochfrequenten Spannungen im mV-Bereich beaufschlagt und regt das Diaphragma (nicht dargestellt des ersten Schallwandlers an. Die Schallwandler haben beispielsweise folgende Spezifikation: K350 PZT Disc Diameter 10mm x 0.4mm thick gold plated.The transducers are preferably identical piezoceramics with fixed dimensions. Both transducers can be used for measuring and for excitation. The first transducer is subjected to high-frequency voltages in the mV range in a closed measuring chamber filled with fluid and excites the diaphragm (not shown) of the first transducer. The transducers have the following specifications, for example: K350 PZT Disc Diameter 10mm x 0.4mm thick gold plated.

Das Diaphragma besteht bevorzugt aus einem leitenden metallischen Werkstoff, der entsprechend des Fluid korrosionsbeständig ist, damit der Werkstoff seine Oberflächenbeschaffenheit nicht verliert, insbesondere aus Edelstahl. Es ist aber auch ein anderer Werkstoff, bevorzugt ein leitender metallischer Werkstoff möglich, der entsprechend des Fluids korrosionsbeständig ist, damit der Werkstoff seine Oberflächenbeschaffenheit nicht verliert.The diaphragm preferably consists of a conductive metallic material that is corrosion-resistant according to the fluid so that the material does not lose its surface quality, in particular stainless steel. However, another material is also possible, preferably a conductive metallic material that is corrosion-resistant according to the fluid so that the material does not lose its surface quality.

Die Schwingungen werden hierbei auf das Fluid (z. B. Gas) in der Messkammer zwischen den Schallwandlern übertragen. Die Schwingungen verursachen eine Resonanzfrequenz im Fluid, die von der Zusammensetzung des Fluids (z. B. Gas) abhängt. Aufgrund der geringen Spannung in Höhe von z.B. nur 1V werden Spannungsspitzen beim zweiten Schallwandler explizit bei Resonanzfrequenzen, die sich in Schwingungsmoden äußern, gemessen und ausgewertet.The vibrations are transmitted to the fluid (e.g. gas) in the measuring chamber between the transducers. The vibrations cause a resonance frequency in the fluid, which depends on the composition of the fluid (e.g. gas). Due to the low voltage of only 1V, for example, voltage peaks in the second transducer are explicitly measured and evaluated at resonance frequencies, which manifest themselves in vibration modes.

Das spezifische Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Innenraumes (Hohlraumes, z. B. 4/3 für Gase) der Messkammer ermöglicht die Isolierung der zweiten longitudinalen Mode, sodass keine Interferenzen mit anderen Moden oder Resonanzen entstehen. (Beispielsweise bei einem gewählten Innendurchmesser von 24mm ergibt sich eine Innenlänge von 32mm des Hohlraumes der Messkammer.) Folglich kann allein die Resonanzfrequenz der isolierten Mode gemessen werden. Das Grundrauschen kann dadurch deutlich vom Peak unterschieden werden.The specific ratio of length to diameter of the interior (cavity, e.g. 4/3 for gases) of the measuring chamber enables the second longitudinal mode to be isolated so that no interference with other modes or resonances occurs. (For example, with a selected inner diameter of 24mm, the inner length of the cavity of the measuring chamber is 32mm.) Consequently, only the resonance frequency of the isolated mode can be measured. The background noise can thus be clearly distinguished from the peak.

Eine Minimierung des Grundrauschens würde erfolgen, wenn Störgrößen, wie Bohrungen kleiner werden oder Mehrphasen vermieden werden.The background noise would be minimized if disturbances such as boreholes were made smaller or multiphases were avoided.

Die Frequenzmessung und -auswertung kann entsprechend der geforderten Unsicherheit angepasst werden.The frequency measurement and evaluation can be adapted according to the required uncertainty.

Die Frequenz steht hierbei im direkten physikalischen mathematisch beschreibbaren Zusammenhang zur Schallgeschwindigkeit.The frequency is in direct physical and mathematically describable relationship to the speed of sound.

Beschreibung des Messvorgangs:Description of the measuring process:

Der Elektromagnet öffnet bei dessen Betätigung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen durch entsprechendes Verschieben der Messkammer. Dadurch kann das Fluid die Messkammer durchströmen. Wird der Elektromagnet deaktiviert, wirkt die Kraft der Rückstellfeder und die Messkammer wird in ihre geschlossene Position zurückgeschoben, bei welcher die Eintrittsöffnungen und bevorzugt auch die Austrittsöffnungen verschlossen sind. Das Fluid ist nun in der Messkammer eingeschlossen.When the electromagnet is activated, it opens the inlet and outlet openings by moving the measuring chamber against the spring force of the return spring. This allows the fluid to flow through the measuring chamber. If the electromagnet is deactivated, the force of the return spring takes effect and the measuring chamber is pushed back into its closed position, in which the inlet openings and preferably also the outlet openings are closed. The fluid is now enclosed in the measuring chamber.

Die eingetragene Schwingung über den ersten Schallwandler erzeugt nun eine stehende Welle, die einen Peak bei der gesuchten longitudinalen Mode besitzt. Hierzu wird die Frequenz über ein breites Spektrum eingetragen und beim zweiten Schallwandler kontinuierlich gemessen.The vibration introduced via the first transducer now generates a standing wave that has a peak in the desired longitudinal mode. To do this, the frequency is introduced over a broad spectrum and continuously measured at the second transducer.

Der mit dem ersten und zweiten Schallwandler gekoppelte Lock-In Verstärker verstärkt das erhaltene Signal bzw. die Signale und vergleicht/„locked“ dieses/diese mit einem Referenzsignal des Erregersignals (z. B. des Erregersignals des ersten Schallwandlers), sodass die gesuchte Frequenz auch phasenverschoben gemessen werden kann. In: Jonas Herick „Aufbau eines F-Praktikum-Versuchs: Lock-In-Verstärker mit computergestützter Signalverarbeitung in Lab VIEW, Bachelor-Arbeit an der Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 2007“ wird auf Seite 8 dargelegt: „Lock-In-Messtechnik ist ein äußerst wirkungsvolles Verfahren, welches als erstes durch den US-amerikanischen Physiker Robert Henry Dicke zur Untersuchung extrem schwacher Mikrowellenstrahlung angewandt wurde. Es ist möglich, sowohl die Amplitude, also die Signalstärke, als auch die Phase verrauschter, harmonischer Signale zu messen. Das Prinzip des Lock-In-Verstärkers beruht dabei auf der Modulation der zu messenden Größe mittels eines Referenzsignals gleicher Frequenz. Der Name beschreibt dabei bereits, das Nutz- und Referenzsignal bei dieser Schaltung „locked“, also gewissermaßen miteinander verschlossen bleiben."The lock-in amplifier coupled to the first and second transducers amplifies the received signal or signals and compares/locks them with a reference signal of the excitation signal (e.g. the excitation signal of the first transducer) so that the desired frequency can also be measured with a phase shift. In: Jonas Herick “Setting up an F-practical experiment: Lock-in amplifier with computer-aided signal processing in Lab VIEW, Bachelor thesis at the Faculty of Physics and Astronomy at the Ruhr University Bochum, 2007” is on page 8 explained: "Lock-in measurement technology is an extremely effective method that was first used by the US physicist Robert Henry Dicke to investigate extremely weak microwave radiation. It is possible to measure both the amplitude, i.e. the signal strength, and the phase of noisy, harmonic signals. The principle of the lock-in amplifier is based on the modulation of the quantity to be measured using a reference signal of the same frequency. The name already describes the fact that the useful and reference signals in this circuit are "locked", i.e. remain closed to one another in a certain sense."

Die gemessene Resonanzfrequenz wird zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit rechnerisch ausgewertet.The measured resonance frequency is mathematically evaluated to determine the speed of sound.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.

Es zeigen:

  • 1 Prinzipskizze der Anordnung des Schallgeschwindigkeitssensors,
  • 2 Prinzipskizze eines Schallgeschwindigkeitssensors, der in einer Leitung angeordnet ist in einer geschlossenen Position (Messposition),
  • 3 Schallgeschwindigkeitssensor gemäß 2 in geschlossener Position,
  • 4 Darstellung einer weiteren Ausführung eines Schallgeschwindigkeitssensors in einer Leitung.
Show it:
  • 1 Schematic diagram of the arrangement of the sound velocity sensor,
  • 2 Schematic diagram of a sound velocity sensor arranged in a pipe in a closed position (measuring position),
  • 3 Sound velocity sensor according to 2 in closed position,
  • 4 Illustration of another design of a sound velocity sensor in a pipe.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Lösung, bei welcher in eine Fluidleitung 1 ein Schallgeschwindigkeitssensor 10 integriert ist, der sich hier in einer geschlossenen (Mess-) Position befindet. Der Schallgeschwindigkeitssensor 10 wird in der Fluidleitung 1 von Fluid FL umströmt. 1 shows a schematic diagram of a solution according to the invention, in which a sound velocity sensor 10 is integrated into a fluid line 1, which is here in a closed (measuring) position. The sound velocity sensor 10 is surrounded by fluid FL in the fluid line 1.

Der Schallgeschwindigkeitssensor 10 (siehe auch 2 bis 4) weist eine Messkammer 11 mit einem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Gehäuse 11.1 auf, in dem ein Hohlraum 11.2 ausgebildet ist. Das Gehäuse 11.1 (gestrichelt dargestellt) ist endseitig in Anströmrichtung AN eines Fluids FL mit einem ersten Verschlusselement 11.3 und in Abströmrichtung AB des Fluids FL (siehe dicke Pfeile in der Fluidleitung 1) mit einem zweiten Verschlusselement 11.4 versehen. In dem erstem Verschlusselement 11.3 sind mehrere axial verlaufende Eintrittsöffnungen 12 vorhanden, die zum Hohlraum 11.2 führen und vor dem zweiten Verschlusselement 11.4 sind Richtung in dem Gehäuse 11.1 radial verlaufende Austrittsöffnungen 13 vorhanden.The sound velocity sensor 10 (see also 2 to 4 ) has a measuring chamber 11 with a substantially cylindrical housing 11.1 in which a cavity 11.2 is formed. The housing 11.1 (shown in dashed lines) is provided at the end in the inflow direction AN of a fluid FL with a first closure element 11.3 and in the outflow direction AB of the fluid FL (see thick arrows in the fluid line 1) with a second closure element 11.4. In the first closure element 11.3 there are several axially running inlet openings 12 which lead to the cavity 11.2 and in front of the second closure element 11.4 there are radially running outlet openings 13 in the housing 11.1.

In bzw. an dem ersten Verschlusselement 11.3 ist in Richtung zum Hohlraum 11.2 ein erster Schallwandler 14 (nicht näher dargestellt) und in bzw. an dem zweiten Verschlusselement 11.4 ist ebenfalls in Richtung zum Hohlraum 11.2 ein zweiter Schallwandler 15 angeordnet (ebenfalls nicht näher dargestellt). Die Messkammer 11 ist axial verschiebbar und drehfest in einem bevorzugt zylindrischen Mantel 16 gelagert. Der Mantel 16 weist auf der Seite des ersten Verschlusselements 11.3 einen radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 auf, der in der dargestellten geschlossenen Position die Eintrittsöffnungen 12 verschließt. Weiterhin weist der Mantel 16 eine Länge auf, durch welche er die im Gehäuse 11.1 vorhandenen radialen Austrittsöffnungen 13 in der dargestellten Position verschließt.In or on the first closure element 11.3, a first sound transducer 14 (not shown in detail) is arranged in the direction of the cavity 11.2 and in or on the second closure element 11.4, a second sound transducer 15 is arranged in the direction of the cavity 11.2 (also not shown in detail). The measuring chamber 11 is axially displaceable and mounted in a rotationally fixed manner in a preferably cylindrical casing 16. The casing 16 has a radially inwardly pointing stop 16.1 on the side of the first closure element 11.3, which closes the inlet openings 12 in the closed position shown. Furthermore, the casing 16 has a length by which it Closes the radial outlet openings 13 present in the housing 11.1 in the position shown.

Zur Realisierung der Axialbewegung zum Öffnen und Schließen der Ein- und Austrittsöffnungen 12, 13 weist die Messkammer 11 an ihrem zweiten Verschlusselement 11.4 einen im Wesentlichen in Richtung der Längsachse Ader Messkammer 11 angeordneten und nach außen ragenden Stößel 17 auf. Dieser ist endseitig mit einem Elektromagneten 18, von dem hier nur der Eisenkern dargestellt ist, der im Weiteren als Elektromagnet 18 bezeichnet wird, fest verbunden, gegen welchen eine Feder 19 (insbesondere eine Druckfeder) wirkt. Im deaktivierten Zustand des Elektromagneten 18 wird dieser, und über den Stößel 17 auch die Messkammer 11, in Richtung des radial nach innen weisenden Anschlags 16.1 des Mantels 16 gedrückt (hier nach links). Mit Anliegen des ersten Verschlusselementes 11.3 am radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 des Mantels 16 sind die Eintrittsöffnungen 12 des ersten Verschlusselementes verschlossen und auch der axial verlaufende Mantel 16 greift über die Austrittsöffnungen 13 des Gehäuses 11.1 der Messkammer 11. Dadurch sind die Eintrittsöffnungen 12 und die Austrittsöffnungen 13 der Messkammer 11 geschlossen. Das Fluid FL ist in dieser ersten Position in Form der Messposition in der Messkammer 11 eingeschlossen und mit dem ersten und zweiten Schallwandler 14, 15 können nun die erforderlichen Messungen erfolgen (siehe auch 3 und 4).To realize the axial movement for opening and closing the inlet and outlet openings 12, 13, the measuring chamber 11 has a plunger 17 on its second closure element 11.4, which is arranged essentially in the direction of the longitudinal axis of the measuring chamber 11 and projects outwards. This is firmly connected at the end to an electromagnet 18, of which only the iron core is shown here, which is referred to below as electromagnet 18, against which a spring 19 (in particular a compression spring) acts. When the electromagnet 18 is deactivated, it, and via the plunger 17 also the measuring chamber 11, are pressed in the direction of the radially inward-pointing stop 16.1 of the casing 16 (here to the left). When the first closure element 11.3 rests against the radially inward-pointing stop 16.1 of the casing 16, the inlet openings 12 of the first closure element are closed and the axially extending casing 16 also extends over the outlet openings 13 of the housing 11.1 of the measuring chamber 11. As a result, the inlet openings 12 and the outlet openings 13 of the measuring chamber 11 are closed. The fluid FL is enclosed in the measuring chamber 11 in this first position in the form of the measuring position and the required measurements can now be carried out with the first and second sound transducers 14, 15 (see also 3 and 4 ).

Zum Öffnen der Eintrittsöffnungen 12 und der Austrittsöffnungen 13 wird der Eisenkern/Elektromagnet 18 aktiviert, so dass sich dieser gegen die Federkraft der Feder 19 hier nach rechts bewegt. Dadurch wird auch die Messkammer 11 über den Stößel 17 in dem Mantel 16 nach rechts bewegt und die Eintrittsöffnungen 12 sowie die Austrittsöffnungen 13 freigegeben (siehe 2).To open the inlet openings 12 and the outlet openings 13, the iron core/electromagnet 18 is activated so that it moves to the right against the spring force of the spring 19. This also moves the measuring chamber 11 to the right via the plunger 17 in the casing 16 and the inlet openings 12 and the outlet openings 13 are released (see 2 ).

Der Elektromagnet 18 und die Feder 19 sitzen beispielsweise in einer Ausstülpung 20 der Fluidleitung 1.The electromagnet 18 and the spring 19 are located, for example, in a protuberance 20 of the fluid line 1.

Der bewegte Kern vom Elektromagneten 18 ist bevorzugt ein Kern eines von außen gewickelter Elektromagnet 18, wobei die Wicklungen hier nicht dargestellt sind.The moving core of the electromagnet 18 is preferably a core of an externally wound electromagnet 18, the windings not being shown here.

Obwohl nur der Kern des Elektromagneten 18 dargestellt ist, wird für diesen nachfolgend weiter die Bezeichnung Elektromagnet 18 verwendet.Although only the core of the electromagnet 18 is shown, the term electromagnet 18 will be used for it below.

Der Elektromagnet 18 bzw. dessen Kern und die Feder 19 bewirken das Öffnen und Schließen der Messkammer 11 durch deren axiales Verschieben entsprechend des Doppelpfeils (1). Der Mantel 16 wird durch angedeutete Befestigungsmittel 21 (siehe 1 und 4) in der Fluidleitung 1 fixiert (axial- und drehfest).The electromagnet 18 or its core and the spring 19 cause the opening and closing of the measuring chamber 11 by its axial displacement according to the double arrow ( 1 ). The casing 16 is secured by means of indicated fastening means 21 (see 1 and 4 ) is fixed in the fluid line 1 (axially and rotationally fixed).

Die drehfeste axiale Verschiebbarkeit der Messkammer 11 im Mantel 16 wird beispielsweise durch ineinandergreifende Formelemente realisiert (nicht dargestellt). Zum Beispiel kann ein radial nach außen weisender Vorsprung am zylinderartigen Gehäuse 11.1 vorgesehen sein, der in eine Nut des Mantels 16 eingreift oder der Mantel 16 besitzt einen radial nach innen weisenden Vorsprung, der mit einer Nut im Gehäuse 11.1 korrespondiert (nicht dargestellt).The rotationally fixed axial displacement of the measuring chamber 11 in the casing 16 is achieved, for example, by interlocking shaped elements (not shown). For example, a radially outward-pointing projection can be provided on the cylinder-like housing 11.1, which engages in a groove in the casing 16, or the casing 16 has a radially inward-pointing projection that corresponds to a groove in the housing 11.1 (not shown).

Bei den Varianten gemäß 1 bis 3 weisen das erste und zweite Verschlusselement 11.3, 11.4 an ihren Außenseiten gerade Flächen auf.For the variants according to 1 to 3 the first and second closure elements 11.3, 11.4 have straight surfaces on their outer sides.

Bei den Varianten der 4 sind die Außenflächen der Verschlusselemente 11.3, 11.4 jeweils in Form eines Kegels 22 ausgebildet, wodurch sich ein geringerer Strömungswiderstand ergibt.In the variants of the 4 the outer surfaces of the closure elements 11.3, 11.4 are each designed in the form of a cone 22, which results in a lower flow resistance.

Die Fluidleitung 1 weist gemäß der 1 bis 4 in dem hier oberen Bereich einen ersten Zugang 2 auf, durch welchen eine erste Kabelführung K1 zum ersten Schallwandler 14 führt sowie einen zweiten Zugang 3 durch den eine zweite Kabelführung K2 zum zweiten Schallwandler 15 führt. Die Zugänge 2 und 3 sind selbstverständlich fluiddicht geschlossen.The fluid line 1 has according to the 1 to 4 in the upper area here, a first access 2 through which a first cable guide K1 leads to the first sound transducer 14 and a second access 3 through which a second cable guide K2 leads to the second sound transducer 15. The accesses 2 and 3 are of course closed fluid-tight.

Weiterhin kann zu der Fluidleitung 1 gemäß der 1 und 4 ein dritter Zugang 4, beispielsweise für einen Drucksensor (nicht dargestellt) und/oder ein vierter Zugang 5, beispielsweise für einen Temperatursensor (nicht dargestellt), führen.Furthermore, the fluid line 1 according to the 1 and 4 a third access 4, for example for a pressure sensor (not shown) and/or a fourth access 5, for example for a temperature sensor (not shown).

Die 2 und 3 zeigen die Prinzipskizzen eines Schallgeschwindigkeitssensors 10, der in einer Fluidleitung 1 angeordnet ist in einer geöffneten zweiten Position der Messkammer 11 (2) und in einer geschlossenen zweiten Position (Messposition) der Messkammer 11 (3) in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt.The 2 and 3 show the schematic diagrams of a sound velocity sensor 10, which is arranged in a fluid line 1 in an open second position of the measuring chamber 11 ( 2 ) and in a closed second position (measuring position) of the measuring chamber 11 ( 3 ) in enlarged longitudinal section.

Es ist aus 2 ersichtlich, dass die Messkammer 11 des Schallgeschwindigkeitssensors 10 durch den hier aktivierten Elektromagneten 18, der die Feder 19 entgegen ihrer Federkraft zusammendrückt, um einen Stellweg s (hier nach rechts) verschoben wird, wodurch das erste Verschlusselement 11.3 um den Stellweg s von dem radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 des Mantels 16 beabstandet ist.It is out 2 It can be seen that the measuring chamber 11 of the sound velocity sensor 10 is displaced by an adjustment path s (here to the right) by the electromagnet 18 activated here, which compresses the spring 19 against its spring force, whereby the first closure element 11.3 is spaced by the adjustment path s from the radially inward-pointing stop 16.1 of the casing 16.

Dadurch liegen die Eintrittsöffnungen 12 und die Austrittsöffnungen 13 frei und das Fluid FL strömt aus der Fluidleitung 1 durch die Eintrittsöffnungen 12 in die Messkammer 11 und durch die Austrittsöffnungen 13 aus der Messkammer 11 in die Fluidleitung 1. Weiterhin strömt Fluid FL um den Schallgeschwindigkeitssensor 10 herum. In dieser Position erfolgt bevorzugt keine Messung.As a result, the inlet openings 12 and the outlet openings 13 are exposed and the fluid FL flows from the fluid line 1 through the inlet openings 12 into the measuring chamber 11 and through the outlet openings 13 from the measuring chamber 11 into the fluid line 1. Furthermore, fluid FL flows around the sound velocity sensor 10. In this position, no measurement is preferably carried out.

Gemäß 3 wurde die Messkammer 11 um den Stellweg s in die erste Position bewegt, in welcher eine Messung mittels der Schallwandler 14, 15 erfolgen kann. Das erste Verschlusselement 11.3 liegt an dem radial nach innen weisenden Anschlag 16.1 des Mantels 16 an, so dass die Eintrittsöffnungen 12 verschlossen sind. Die Austrittsöffnungen 13 in dem Gehäuse 11.1 der Messkammer 11 wurden durch den Mantel 16 ebenfalls verschlossen, da das Gehäuse 11.1 entsprechend weit in den Mantel 16 hineingeschoben wurde.According to 3 the measuring chamber 11 was moved by the travel distance s into the first position in which a measurement can be carried out using the sound transducers 14, 15. The first closure element 11.3 rests against the radially inward-pointing stop 16.1 of the casing 16, so that the inlet openings 12 are closed. The outlet openings 13 in the housing 11.1 of the measuring chamber 11 were also closed by the casing 16, since the housing 11.1 was pushed into the casing 16 a corresponding distance.

Das Fluid FL ist nun in der Messkammer 11 eingeschlossen. Das eingeschlossene Fluid FL ist hier zur Verdeutlichung in kurzen Strichen schräg schraffiert.The fluid FL is now enclosed in the measuring chamber 11. The enclosed fluid FL is shown here diagonally hatched in short lines for clarity.

In 4 ist die Ausführung eines Schallgeschwindigkeitssensors 10 in der ersten Position (Messposition) dargestellt, der im Unterschied zu den Varianten in den 1 bis 3 endseitige Verschlusselemente 11.3, 11.4 aufweist, deren Außenseiten in Form eines Kegels 22 ausgebildet sind.In 4 The design of a sound velocity sensor 10 in the first position (measuring position) is shown, which, in contrast to the variants in the 1 to 3 end-side closure elements 11.3, 11.4, the outer sides of which are designed in the shape of a cone 22.

Entsprechend ist auch der Anschlag 16.1 ausgebildet. Zusätzlich ist eine Dichtung 25 zwischen dem Kegel 22 des ersten Verschlusselements 11.3 und dem Anschlag 16.1 vorgesehen.The stop 16.1 is also designed accordingly. In addition, a seal 25 is provided between the cone 22 of the first closure element 11.3 and the stop 16.1.

Ansonsten entspricht der Aufbau des Schallgeschwindigkeitssensors nach 4 im Wesentlichen den Ausführungen der 1 bis 3.Otherwise, the structure of the sound velocity sensor corresponds to 4 essentially the statements of the 1 to 3 .

Der Schallgeschwindigkeitssensor 10 ist gemäß 4 in eine Leitung 1 mit einem ersten Befestigungsflansch 6 mit Bohrungen 7 und einem zweiten Befestigungsflansch 8 mit Bohrungen 9 zur Befestigung in einem Leitungssystem versehen.The sound velocity sensor 10 is designed according to 4 in a line 1 with a first fastening flange 6 with holes 7 and a second fastening flange 8 with holes 9 for fastening in a line system.

Es ist aus den 2 bis 4 auch ersichtlich, dass in dem ersten Verschlusselement 11.3 in Richtung zum Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 eine erste Aussparung 23 vorhanden ist, in welche der erste Schallwandler 14 schwingfest mit dem Diaphragma fixiert ist. In dem gegenüberliegenden zweiten Verschlusselement 11.4 der Messkammer 11 ist ebenfalls in Richtung zum Hohlraum 11.2 eine Aussparung 24 vorgesehen, in welche der zweite Schallwandler 15 schwingfest mittels des Diaphragmas fixiert ist.It is from the 2 to 4 It is also apparent that in the first closure element 11.3 in the direction of the cavity 11.2 of the measuring chamber 11 there is a first recess 23 in which the first sound transducer 14 is fixed in a vibration-proof manner with the diaphragm. In the opposite second closure element 11.4 of the measuring chamber 11 there is also a recess 24 in the direction of the cavity 11.2 in which the second sound transducer 15 is fixed in a vibration-proof manner by means of the diaphragm.

Die Schallwandler 14, 15 sind jeweils an einen nicht bezeichneten Deckel montiert, welcher an der in Richtung zum Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 weisenden Stirnseite (nicht bezeichnet) des jeweiligen Verschlusselementes 11.3, 11.4 befestigt ist, so dass die Schallwandler 14, 15 in die Aussparungen 23, 24 ragen.The sound transducers 14, 15 are each mounted on a cover (not designated) which is fastened to the front side (not designated) of the respective closure element 11.3, 11.4 pointing in the direction of the cavity 11.2 of the measuring chamber 11, so that the sound transducers 14, 15 protrude into the recesses 23, 24.

Weiterhin ist es wichtig zu erwähnen, dass der feste Kontakt mit dem Metall (Diaphragma) als elektrische Leitung genutzt wird, sodass ein elektrisches Signal angelegt werden kann. Die Messkammer dient dabei als Leiter.It is also important to mention that the solid contact with the metal (diaphragm) is used as an electrical conductor so that an electrical signal can be applied. The measuring chamber serves as a conductor.

Wichtig ist die elektrisch leitende und schwingfeste Verbindung der Schallwandler mit der Messkammer über den Hohlraum bzw. die Senkung im Deckel.It is important that the sound transducers are electrically conductive and vibration-resistant and that they are connected to the measuring chamber via the cavity or recess in the lid.

Die PZT (piezoelektrische Ultraschallwandler) werden hierbei so fest aufgedrückt, sodass feinste Oberflächen-Spitzen im Metall / Diaphragma durch die Rauheit mit der leitenden goldbeschichteten Oberfläche des Piezokeramischen Materials (PZT) in Kontakt treten. The PZT (piezoelectric ultrasonic transducers) are pressed so firmly that the finest surface peaks in the metal / diaphragm come into contact with the conductive gold-coated surface of the piezoceramic material (PZT) due to the roughness.

Erstreckten sich die Deckel bis zum nicht bezeichneten Außendurchmesser der Verschlusselemente 11.3, sind auch in den Deckel auf der Eintrittsseite des Fluids Löcher integriert, die das Durchströmen des Fluids FL ermöglichen.If the covers extend to the non-designated outer diameter of the closure elements 11.3, holes are also integrated into the cover on the inlet side of the fluid, which allow the fluid FL to flow through.

Zwischen den Aussparungen 23, 24 der Verschlusselemente 11.3, 11.4 ist in Richtung Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 eine dünne trennende Wand vorhanden, die zur Bildung der Messkammer bzw. des Hohlraums der Messkammer dient.Between the recesses 23, 24 of the closure elements 11.3, 11.4, in the direction of the cavity 11.2 of the measuring chamber 11, there is a thin separating wall which serves to form the measuring chamber or the cavity of the measuring chamber.

Diese dünne trennende Wand ist ein Diaphragma als Grenze zum Hohlraum 11.2 der Messkammer 11, welches bevorzugt aus Edelstahl oder einem anderen geeigneten leitenden Werkstoff besteht.This thin separating wall is a diaphragm as a boundary to the cavity 11.2 of the measuring chamber 11, which is preferably made of stainless steel or another suitable conductive material.

Dabei befindet sich zwischen der ersten Aussparung 23 und dem Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 ein erstes Diaphragma 23.1 und zwischen der zweiten Aussparung 24 und dem Hohlraum 11.2 der Messkammer 11 ein zweites Diaphragma 24.1. Diese sind an Deckeln befestigt. Die Deckel sind in den 1 bis 3 nicht dargestellt, aber aus 4 ersichtlich, jedoch nicht bezeichnet.There is a first diaphragm 23.1 between the first recess 23 and the cavity 11.2 of the measuring chamber 11 and a second diaphragm 24.1 between the second recess 24 and the cavity 11.2 of the measuring chamber 11. These are attached to covers. The covers are in the 1 to 3 not shown, but from 4 visible, but not labeled.

Nicht bezeichnete Durchgangsöffnungen in den Verschlusselementen 11.3, 11.4 führen die Anschlussleitungen (ebenfalls nicht bezeichnet) durch die Kabelführungen K1, K2 zu den Schallwandlern 14, 15 in den Aussparungen 23, 24 (siehe ebenfalls 2 bis 4). Die Verschlusselemente 11.3, 11.4 sind bevorzugt zweiteilig ausgeführt, dies ist in 4 erkennbar.Unmarked through-openings in the closure elements 11.3, 11.4 lead the connecting cables (also unmarked) through the cable guides K1, K2 to the sound transducers 14, 15 in the recesses 23, 24 (see also 2 to 4 ). The closure elements 11.3, 11.4 are preferably designed in two parts, this is shown in 4 recognizable.

Durch den Einsatz des Schallgeschwindigkeitssensors als In-Line Sensor innerhalb einer Fluidleitung entstehen nur geringe Druckverluste. Es sind damit Fluide in Form von Gasgemischen, Reingase, und ggf. auch mehrphasige Gemische prüfbar. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch die individuelle mechanische Einbindung in Rohrsysteme, z.B. über geeignete Flanschverbindungen wie spezielle Industrieflansche. Die erfindungsgemäße Lösung besitzt einen robusten Aufbau und ist durch die In-Line-Anordnung vor äußeren mechanischen Beschädigungen geschützt. Vorteilhafter Weise ist der erfindungsgemäße Schallgeschwindigkeitssensor auch für hohe und niedrige Temperaturen einsetzbar.By using the sound velocity sensor as an in-line sensor within a fluid line, only minimal pressure losses occur. This means that fluids in the form of gas mixtures, pure gases and possibly also multi-phase mixtures can be tested. The solution according to the invention also enables individual mechanical integration into pipe systems, e.g. via suitable flange connections such as special industrial flanges. The solution according to the invention has a robust structure and is protected from external mechanical damage by the in-line arrangement. The sound velocity sensor according to the invention can also be used for high and low temperatures.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
FluidleitungFluid line
22
erster Zugangfirst access
33
zweiter Zugangsecond access
44
dritter Zugangthird access
55
vierter Zugangfourth access
66
erster Befestigungsflanschfirst mounting flange
77
BohrungenDrilling
88th
zweiter Befestigungsflanschsecond mounting flange
99
BohrungenDrilling
1010
SchallgeschwindigkeitssensorSound speed sensor
1111
MesskammerMeasuring chamber
11.111.1
Gehäuse der MesskammerHousing of the measuring chamber
11.211.2
Hohlraum der MesskammerCavity of the measuring chamber
11.311.3
erstes Verschlusselementfirst closure element
11.411.4
zweites Verschlusselementsecond locking element
1212
EintrittsöffnungEntrance opening
1313
AustrittsöffnungOutlet opening
1414
erster Schallwandlerfirst sound transducer
1515
zweiter Schallwandlersecond transducer
1616
MantelCoat
16.116.1
radial nach innen weisender Anschlagradially inward pointing stop
1717
StößelPestle
1818
ElektromagnetElectromagnet
1919
FederFeather
2020
Ausstülpung der Fluidleitung 1Protrusion of fluid line 1
2121
BefestigungsmittelFasteners
2222
Kegelcone
2323
erste Aussparungfirst recess
23.123.1
erstes Diaphragmafirst diaphragm
2424
zweite Aussparungsecond recess
24.124.1
zweites Diaphragmasecond diaphragm
2525
DichtringSealing ring
AA
LängsachseLongitudinal axis
ABAWAY
AbströmrichtungFlow direction
ANAT
AnströmrichtungFlow direction
FLFL
FluidFluid
K1K1
erste Kabelführungfirst cable routing
K2K2
zweite Kabelführungsecond cable routing
ss
StellwegTravel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011121867 A1 [0002]DE 102011121867 A1 [0002]
  • DE 102011102641 A1 [0003]DE 102011102641 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Jonas Herick „Aufbau eines F-Praktikum-Versuchs: Lock-In-Verstärker mit computergestützter Signalverarbeitung in Lab VIEW, Bachelor-Arbeit an der Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 2007“ wird auf Seite 8 [0054]Jonas Herick “Setting up an F-practical experiment: Lock-in amplifier with computer-aided signal processing in Lab VIEW, Bachelor thesis at the Faculty of Physics and Astronomy at the Ruhr University Bochum, 2007” is on page 8 [0054]

Claims (13)

Schallgeschwindigkeitssensor (10) für ein Fluid (FL), mit mindestens einer Messkammer (11), in welcher mindestens ein Schallwandler (14, 15) angeordnet ist, wobei zu der Messkammer (11) mindestens eine Eintrittsöffnung (12) und mindestens eine Austrittsöffnung (13) führt und die Messkammer (11) von dem Fluid (FL) zur Realisierung einer Messung befüllbar/durchströmbar ist, wobei der Schallgeschwindigkeitssensor (10) in einer von dem Fluid (FL) durchströmten Fluidleitung (1) angeordnet ist und von Fluid (FL) umströmt ist.Sound velocity sensor (10) for a fluid (FL), with at least one measuring chamber (11) in which at least one sound transducer (14, 15) is arranged, wherein at least one inlet opening (12) and at least one outlet opening (13) lead to the measuring chamber (11) and the measuring chamber (11) can be filled/flowed through by the fluid (FL) to realize a measurement, wherein the sound velocity sensor (10) is arranged in a fluid line (1) through which the fluid (FL) flows and around which fluid (FL) flows. Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer (11) nach der Eintrittsöffnung (12) mindestens ein erster Schallwandler (14) und vor und/oder nach der Austrittsöffnung (13) mindestens ein zweiter Schallwandler (15) angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Schallwandler (14, 15) mit einer Mess-/Auswerteeinheit verbunden sind.Sound velocity sensor (10) according to Claim 1 , characterized in that in the measuring chamber (11) after the inlet opening (12) at least one first sound transducer (14) is arranged and before and/or after the outlet opening (13) at least one second sound transducer (15) is arranged, wherein the first and the second sound transducer (14, 15) are connected to a measuring/evaluation unit. Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (11) in einem diese umfangsseitig umhüllenden Mantel (16) axial verschiebbar und drehfest angeordnet ist und dass der Mantel (16) in der Fluidleitung (1) gestellfest positioniert ist.Sound velocity sensor (10) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the measuring chamber (11) is arranged axially displaceably and rotationally fixed in a casing (16) surrounding it on the circumference and that the casing (16) is positioned fixed to the frame in the fluid line (1). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eintrittsöffnung (12) der Messkammer (11) und/oder die mindestens eine Austrittsöffnung (13) zur Durchführung einer Messung verschließbar ist/sind.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one inlet opening (12) of the measuring chamber (11) and/or the at least one outlet opening (13) can be closed to carry out a measurement. Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Mantel (16) wenigstens ein radial nach innen weisender Anschlag (16.1) vorhanden ist, mit dem die mindestens eine Eintrittsöffnung (12) verschließbar ist und/oder dass mit einem zylindrischen Bereich des Mantels (16) die mindestens eine Austrittsöffnung (13) der Messkammer (11) verschließbar ist.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one radially inwardly pointing stop (16.1) is present on the casing (16), with which the at least one inlet opening (12) can be closed and/or that the at least one outlet opening (13) of the measuring chamber (11) can be closed with a cylindrical region of the casing (16). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Messkammer (11) in einer ersten Position, in welcher eine Messung erfolgt, an dem radial nach innen weisenden Anschlag (16.1) anliegt und die Eintrittsöffnung (12) verschlossen ist und dass die Austrittsöffnung (13) durch den Mantel (16) verschlossen ist und - dass die Messkammer (11) in einer zweiten Position, in welcher keine Messung erfolgt, von dem Anschlag (16.1) beabstandet ist und die mindestens eine Eintrittsöffnung (12) frei ist und der Mantel die Austrittsöffnung (13) freigibt, so dass durch die Eintrittsöffnung (12) Fluid (FL) aus der Leitung (1) in die Messkammer (11) eintritt und aus der Austrittsöffnung (13) aus der Messkammer (11) in die Fluidleitung (1) austritt.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that - in a first position in which a measurement is carried out, the measuring chamber (11) rests against the radially inward-pointing stop (16.1) and the inlet opening (12) is closed and that the outlet opening (13) is closed by the casing (16) and - in a second position in which no measurement is carried out, the measuring chamber (11) is spaced from the stop (16.1) and the at least one inlet opening (12) is free and the casing exposes the outlet opening (13), so that fluid (FL) from the line (1) enters the measuring chamber (11) through the inlet opening (12) and exits from the measuring chamber (11) into the fluid line (1) through the outlet opening (13). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (11) mit einem Elektromagneten (18) in Wirkverbindung steht, bei dessen Betätigung die Messkammer (11) entgegen einer Federkraft einer Feder (19) aus der ersten Position in die zweite Position innerhalb des Mantels (16) um einen Stellweg (s) axial verschiebbar ist.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring chamber (11) is operatively connected to an electromagnet (18), upon actuation of which the measuring chamber (11) is axially displaceable against a spring force of a spring (19) from the first position into the second position within the casing (16) by an adjustment path (s). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (12) und/oder die Austrittsöffnungen (13) axial und/oder radial und parallel oder im Winkel zur Längsachse (A) des Schallgeschwindigkeitssensors (10) von dem Hohlraum (11.2) der Messkammer (11) nach außen in die Fluidleitung (1) führen.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet openings (12) and/or the outlet openings (13) lead axially and/or radially and parallel or at an angle to the longitudinal axis (A) of the sound velocity sensor (10) from the cavity (11.2) of the measuring chamber (11) outwards into the fluid line (1). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (11) ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse (11.1) mit einem Hohlraum (11.2) und an beiden Enden des Gehäuses (11.1) Verschlusselemente (11.3, 11.4) aufweist, die an ihren Außenseiten flach oder in Form eines Kegels (22) ausgebildet sind, wobei das erste Verschlusselement (11.3) axial verlaufende Eintrittsöffnungen (12) aufweist und vor dem zweiten Verschlusselement (11.4) in dem Gehäuse (11.1) radial verlaufende Austrittsöffnungen (13) angeordnet sind.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring chamber (11) has a substantially cylindrical housing (11.1) with a cavity (11.2) and at both ends of the housing (11.1) closure elements (11.3, 11.4) which are flat on their outer sides or in the shape of a cone (22), wherein the first closure element (11.3) has axially extending inlet openings (12) and radially extending outlet openings (13) are arranged in front of the second closure element (11.4) in the housing (11.1). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (13) durch das zweite Verschlusselement (11.4) führen.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet openings (13) lead through the second closure element (11.4). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verschlusselement (11.3) in Richtung zum Hohlraum (11.2) der Messkammer (11) den ersten Schallwandler (14) und das zweite Verschlusselement (11.4) in Richtung zum Hohlraum (11.2) der Messkammer (11) den zweiten Schallwandler (15) aufweist.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first closure element (11.3) has the first sound transducer (14) in the direction of the cavity (11.2) of the measuring chamber (11) and the second closure element (11.4) has the second sound transducer (15) in the direction of the cavity (11.2) of the measuring chamber (11). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (13) einen größeren Durchmesser aufweisen als die Eintrittsöffnungen (12).Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet openings (13) have a larger diameter than the inlet openings (12). Schallgeschwindigkeitssensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Schallwandler (14, 15) aus identischen Piezokeramiken bestehen und dass beide Schallwandler (14, 15) zum Messen und zum Anregen ausgebildet sind.Sound velocity sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second sound transducers (14, 15) consist of identical piezoceramics and that both sound transducers (14, 15) are designed for measuring and for excitation.
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