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Meßeinrichtung zum Bestimmen des Durchflusses in einem Rohr
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Bestimmen des
Durchflusses in einem Rohr, an dem einander schräg gegenüberliegend zwei Ultraschallwandler
angebracht sind, die jeweils ein Ultraschall-Wandlerelement und ein keilförmiges
Schallübertragungsteil aufweisen, das mit seiner rechteckförmigen Grundfläche am
Rohr anliegt und auf seiner Schrägfläche das Ultraschall-Wandlerelement trägt.
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Bei einer Meßeinrichtung dieser Art, wie sie beispielsweise in der
DE-OS 32 30 397 beschrieben ist, wird der Effekt ausgenutzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit
einer Ultraschallwelle in einem fließenden Fluid durch dessen Geschwindigkeit V
beeinflußt ist. Aus diesem Grunde sind in großem Umfange Meßeinrichtungen, wie in
Figur 1 gezeigt, zum Messen des Durchflusses eines Fluids benutzt worden, indem
der Durchfluß durch Erfassen der Ultraschall-Laufzeit gemessen wurde, die durch
die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt ist.
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Eine bekannte Meßeinrichtung gemäß Figur 1 weist zwei Ultraschallwandler
3 und 4 mit Ultraschall-Wandlerelementen 1 und 2 aus piezoelektrischem Material
auf; die Ultraschallwandler 3 und 4 sind außen an einem Rohr 6 strömungsaufwärts
und strömungsabwärts einander schräg gegenüberliegend angeordnet, wobei in der Figur
durch den Pfeil P die Flußrichtung des Fluids 5 gekennzeichnet ist. Die Ultraschallwandler
3 und 4 bilden somit ein Paar von Ultraschall-Sensoren. Für eine bestimmte Zeit
ist jeweils der Ultraschallwandler 3 als Schallsender benutzt, um eine Ultraschallwelle
durch das Fluid 5 zu
dem Ultraschallwandler 4 zu senden, von dem
die Ultraschallwelle empfangen wird; dabei wird die Laufzeit T1 der Ultraschallwelle
gemessen. Daraufhin wird kurzzeitig der Ultraschallwandler 4 als Sender eingesetzt,
um eine Ultraschallwelle zum Ultraschallwandler 3 zu senden, um auf diese Weise
eine Zeit T2 für die Laufzeit dieser Ultraschallwelle zu messen. Der Durchfluß läßt
sich dann aus der Differenz 1/T1 -1/T2 rechnerisch ermitteln.
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Bei der bekannten Meßeinrichtung nach Figur 1 hat das Rohr 6 einen
inneren Durchmesser D. Ein mittlerer Teil G des Ultraschall-Ausbreitungspfades zwischen
den Ultraschallwandlern 3 und 4 befindet sich aufgrund der Ausrichtung der Ultraschallwandler
3 und 4 in einer Ebene, die auch die Mittenachse des Rohres 6 enthält. Schrägflächen
keilförmiger Schallübertragungsteile 7 und 8 aus Kunststoff als Schallübertragungsmittel
tragen die Ultraschall-Wandlerelemente 1 und 2; mit ihrer Grundfläche liegen die
Schallübertragungsteile 7 und 8 an dem Rohr 6 an und sind mittels nicht dargestellter
Befestigungseinrichtungen an dem Rohr 6 befestigt. Da die Schallgeschwindigkeiten
in den Schallübertragungsteilen 7 und 8, in der Wand des Rohres 6 und im Fluid 5
unterschiedlich sind, enthält der Ausbreitungspfad G gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz
mehrere Brechungsstellen, wie dies in Figur 1 gezeichnet ist; der Ausfallswinkel
innerhalb des Rohres 6 ist in der gezeigten Meßeinrichtung mit dem Winkel G bezeichnet.
Falls die Zeit, die eine Ultraschallwelle in den Schallübertragungsteilen 7 und
8 und in der Wand des Rohres 6 benötigt, unberücksichtigt bleibt, dann ist die Laufzeit
für die Ultraschallwelle im Pfad G durch folgende Gleichung (1) beschreibbar: T1
= D/cos g/C + V.sin 0, T2 = D/cos g/C - V.sin g (1) Aus dieser Gleichung (1) läßt
sich folgende Beziehung (2) ableiten: l/Tl - 1/T2 = sin 2 S/D.V (2)
wobei
C die Schallgeschwindigkeit in einem stehenden Fluid 5 bedeutet.
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Bei dieser bekannten Meßeinrichtung wird eine Meßanordnung 9 benutzt,
um über eine entsprechende Ansteuerung der Ultraschallwandler die Ausbreitungsrichtung
der Schallwellen zur Messung der Zeiten T1 und T2 zu verändern und um nach Berechnung
gemäß der Beziehung (2) ein Ausgangssignal zu erhalten, das der Durchflußgeschwindigkeit
V entspricht; es ist dadurch möglich, den Durchfluß ohne Beeinflussung durch eine
Änderung der Schallgeschwindigkeit infolge Temperaturänderungen im Fluid 5 zu messen.
Wie aus der Beziehung (2) zu entnehmen ist, wird die Meßempfindlichkeit der bekannten
Meßeinrichtung nach Fig. 1 um so größer, je größer der Winkel S ist. Wenn die Schallgeschwindigkeit
in der Wand des Rohres 6 kleiner als die im Fluid 5 ist, dann verursacht ein sehr
großer Winkel G eine Totalreflexion der Ultraschallwelle an der Innenfläche des
Rohres 6 und erschwert die Ultraschall-Ausbreitung im Fluid 5. Aus diesem Grunde
wird der Winkel g normalerweise 23- gewählt, wobei die unterschiedlichen Arten und
die unterschiedlichen Temperaturen des Fluids 5 nicht unbeachtet bleiben können,
da das Rohr 6 normalerweise aus Eisen oder Stahl besteht. Der Vorteil besteht darin,
daß ein Ultraschall-Sensor in fertigem Zustand installiert werden kann, da die Durchflußmeßeinrichtung
in der angegebenen Weise aufgebaut ist. Es sind aber folgende Unzulänglichkeiten
festzustellen: Vorauszuschicken ist, daß, da die Ultraschallwandler 3 ünd 4 der
bekannten Meßeinrichtung in der Ausführung einander sehr ähnlich sind, in der folgenden
Beschreibung im wesentlichen nur Bezug genommen wird auf den Aufbau des Ultraschallwandlers
3. Figur 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den Ultraschallwandler 3 nach Figur
1 und Figur 3 einen Querschnitt entlang der Linie X-X, wobei dieser Querschnitt
mitten durch das Ultraschall-Wandlerelement 1 gelegt ist und die
Mittenachse
des Rohres 6 im rechten Winkel schneidet. Das Schallübertragungsteil 7 nach den
Figuren 2 und 3 ist ein säulenartiger Körper mit einem Querschnitt in der Form eines
rechtwinkligen Dreiecks; auf der Schrägfläche 7a des Schallübertragungsteiles 7
ist das scheibenförmige Ultraschall-Wandlerelement mit einem adhäsiven Bindemittel
befestigt. Die Grundfläche 7b des Schallübertragungsteiles 7 berührt das Rohr 6
an der Außenwand, und das Schallübertragungsteil ist auf nicht gezeigte Weise an
dem Rohr befestigt. Infolgedessen verläuft der Pfad G der Ultraschallwelle zwischen
den Ultraschallwandlern 3 und 4 in der in der Figur 1 gezeigten Weise.
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Da in diesem Falle die Achse des Schallübertragungsteiles 7 in Form
eines säulenartigen Körpers etwa in einem rechten Winkel zu der Mittenachse des
Rohres 6 angeordnet ist, ist die Berührung zwischen dem Schallübertragungsteil 7
und dem Rohr 6 nahezu linienförmig. Falls das Schallübertragungsteil 7 das Rohr
6 einfach berührt, wird der größte Teil seiner Grundfläche 7b getrennt durch einen
Spalt 11 dem Rohr 6 gegenüberliegen, wobei dieser Spalt 11 durch die Seiten des
säulenartigen Körpers und durch die Kontaktebene gebildet ist, so daß eine Ultraschallwelle,
die sich zwischen dem Schallübertragungsteil und dem Rohr ausbreitet, stark gedämpft
wird. Eine Fettschicht 12 aus einem viskosen, elastischen Schallübertragungsmedium
ist an beiden oder an einem Schallübertragungsteil und dem Rohr vorgesehen, bevor.
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die Schallübertragungsteile verbunden werden. Anstelle eines Fettes
12 kann, falls erforderlich, auch Silikongummi verwendet werden. Ultraschallwellen
mit einer Frequenz von mehreren MHz werden in einer Fettschicht mit einer Stärke
von 0,5 mm fast ungedämpft übertragen.
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Bei der bekannten Meßeinrichtung ist das Schallübertragungsteil 7
mit dem Ultraschall-Wandlerelement 1 in einem Gehäuse 13 untergebracht, wobei die
Seitenflächen und die Stirnfläche des Schallübertragungsteiles 7 an dem Gehäuse
13 mit einem
adhäsiven Bindemittel befestigt sind. Anschlußdrähte
14 dienen dazu, das Ultraschall-Wandlerelement anzusteuern bzw.
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ein elektrisches Signal abzunehmen, wenn das Ultraschall-Wandlerelement
als Empfänger arbeitet. Ein Verbindungselement 15 ist an der Außenseite des Gehäuses
13 befestigt; an dieses Verbindungselement sind die Drähte 14 herangeführt und über
dieses Verbindungselement erfolgt ein Anschluß der Meßanordnung 9 gemäß Figur 1.
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Wenn der Ultraschallwandler 3 der bekannten Meßeinrichtung an dem
Rohr 6 in dieser Weise befestigt ist, trifft eine aus der Grundfläche 7b des Schallübertragungsteiles
7 austretende Ultraschallwelle über die Fettschicht 12 mit einer geringeren Stärke
als 0,5 mm vollständig auf das Rohr 6 auf. Wenn daher der Bereich einer solchen
Grundfläche 7b als wirksame Kontaktfläche definiert wird, dann wird diese wirksame
Kontaktfläche vermindert, wenn der Außendurchmesser des Rohres 6 kleiner wird, wobei
das Verhältnis des Anteils der zu dem Rohr 6 übertragenen Ultraschallwelle zur gesamten
vom Ultraschall-Wandlerelement 1 ausgesandten Ultraschallwelle entsprechend verringert
wird und infolgedessen der Anteil der den Ultraschallwandler gemäß Figur 1 erreichenden
Ultraschallwelle vermindert wird.
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Anhand der Figur 4 soll nun der Ausbreitungspfad der Ultraschallwelle
in bezug auf das Rohr 6 näher erläutert werden.
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Dabei ist in der Figur 4 das Gehäuse 13 fortgelassen. Im einzelnen
zeigt die Figur 4 den Teil des Ausbreitungspfades der Ultraschallwelle, die vom
Ultraschall-Wandlerelement 1 nach Figur 3 ausgesendet wird. Ein Schnittpunkt, in
dem die Mittenachse des Rohres 6 die Schnittebene durchstößt, ist mit 01 bezeichnet,
während die Mitte des Ultraschall-Wandlerelementes 1 mit 02 gekennzeichnet ist.
Eine gerade Linie durch die Punkte 01 und 02 ist mit Y-Y bezeichnet, so daß die
Grundfläche des Schallübertragungsteiles 7 durch die gerade
Linie
Y-Y in zwei Teile in einer solchen Weise geteilt ist, daß die Berührung des Schallübertragungsteiles
7 an der Außenfläche 6a des Rohres 6 im Schnittpunkt seiner Grundfläche mit der
geraden Linie Y-Y erfolgt. Ein Punkt in der Befestigungsebene des Ultraschall-Wandlerelementes
an dem Schallübertragungsteil 7 ist mit Q bezeichnet und ein anderer Punkt auf der
Grundfläche 7b mit R; ein Teil einer Linie einer der Ausbreitungspfade der Ultraschallwelle,
die vom Ultraschallwandler 1 ausgesendet wird, ist mit QR bezeichnet, und ein Austrittswinkel
der Ultraschallwelle des Ultraschallwandlers 1 entlang diesem Ausbreitungspfad mit
d . Obwohl die Ultraschallwelle, die dem Ausbreitungspfad QR entsprechend verläuft,
im Punkte R gebrochen wird und auf die Fettschicht 12 fällt, hat sie einen Austrittswinkel
ß gleich dem entsprechenden Wert des Winkels k gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz.
In einem Punkt S auf der Außenseite 6a des Rohres 6 fällt die Ultraschallwelle in
die Wand des Rohres 6 unter einem Austrittswinkel d ein, wobei der Einfallswinkel
? ist.
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Der Winkel zwischen den Linien S01 und der Linie Y-Y ist mit T bezeichnet.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gilt die Beziehung ? = ß + T . Da der Winkel 6
entsprechend dem Snelliusschen Brechungsgesetz in Abhängigkeit von dem Winkel t
größer wird, vergrößert er sich, wenn entweder der Winkel L oder der Winkel t größer
wird. Eine Linie in der Wandung der Rohres 6 auf dem Ausbreitungsweg der Ultraschallwelle,
die die Punkte Q, R und S passiert, ist mit M bezeichnet. Die Linie SM schneidet
nicht die Innenfläche 6b des Rohres 6, wenn der Winkel b groß und der Innendurchmesser
D des Rohres 6 klein ist. Mit anderen Worten: Eine Ultraschallwelle, die nacheinander
Q, R, S und M durchläuft, wird in Abhängigkeit von dem Innendurchmesser D des Rohres
6 nicht in das Fluid 5 einfallen, wenn der Ausbreitungspfad einen großen Winkel
aufweist oder falls der Außendurchmesser Dl des Rohres 6 verringert ist, während
der Winkel T vergrößert ist. Es braucht nicht besonders hervorgehoben zu werden,
daß eine Ultraschall-
welle mit einem kleineren WinkeloL auch einen
kleineren Winkel 6 hat, so daß sie in das Fluid 5 eintreten kann. Anders ausgedrückt,
wenn der Ultraschallwandler 3 allgemein an dem Rohr 6 entsprechend der Darstellung
in Figur 3 befestigt ist, wird besonders bei einem Rohr 6 mit einem kleinen Außendurchmesser
D1 ein Teil der vom Ultraschall-Wandlerelement ausgesandten und auf das Rohr 6 auftreffenden
Ultraschallwelle sich in dem Fluid 5 ausbreiten, während ein anderer Teil der Ultraschallwelle
im Rohr 6 verläuft und auf den empfangenden Ultraschallwandler trifft, der dem einen
Ultraschallwandler gegenüberliegend angeordnet ist. In diesem Falle wird die sich
in der Wand des Rohres 6 ausbreitende Ultraschallwelle bis auf Geräusch-Niveau gedämpft
und beeinflußt das Signal-Geräusch-Verhältnis des elektrischen Signals, das von
dem empfangenden Ultraschallwandler erzeugt wird.
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Da in der bekannten Meßeinrichtung in der beschriebenen Weise die
Ausbreitung einer Ultraschallwelle beeinflußt ist, wird die Dämpfung der Ultraschallwelle
im Fluid 5 verringert, wenn der Außendurchmesser des Rohres 6 kleiner wird; das
Signal-Geräusch-Verhältnis des erzeugten elektrischen Signals scheint verbessert
zu sein. Experimentelle Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß das Signal-Geräusch-Verhältnis
bei kleiner werdendem Außendurchmesser des Rohres 6 normalerweise verschlechtert
wird, weil eine Verringerung der wirksamen Kontaktfläche und ein Anwachsen des Geräusches
durch Ausbreitung in der Wandung als Hauptursachen eintreten.
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Der Durchfluß wird bei der bekannten Meßeinrichtung nach Figur 1 durch
Messung der Laufzeiten T1 und T2 bestimmt. Zum Messen der Zeit wird ein Ultraschall-Impuls
von mehreren MHz von dem jeweils sendenden Ultraschallwandler ausgesendet, und es
wird die Zeit gemessen, zu der ein elektrisches Signal auf den ausgesandten Ultraschall-Impuls
hin ein vorbestimmtes Niveau erreicht. In dem Falle, in dem der empfangene Ultra-
schall-Impuls
eine Sinuswelle ist, wird auch im elektrischen Signal eine Sinuswelle enthalten
sein unter der Voraussetzung, daß kein Störgeräusch zu dem empfangenden Ultraschallwandler
gelangt. Wenn in dem empfangenden Ultraschallwandler ein Störgeräusch über die Wand
des Rohres 6 wie oben beschrieben eintritt, dann hat das elektrische Signal eine
gestörte Sinusform. Entsprechend wird die Zeit, zu der ein das Fluid 5 durchlaufender
Ultraschall-Impuls den empfangenden Ultraschallwandler erreicht, entsprechend der
Verzerrung der Wellenform des elektrischen Signales unterschiedlich erfaßt. Beim
Erfassen eines Störgeräusches durch den empfangenden Ultraschallwandler wird also
ein Fehler bei der Messung der Schall-Laufzeiten T1 und T2 hervorgerufen, der zu
einer inkorrekten Durchflußmessung führt. Die Verzerrung der Wellenform wird vergrößert,
falls entweder die Phasendifferenz zwischen dem Signal und dem Störgeräusch oder
das Signal-Geräusch-Verhältnis ansteigt, wobei ein Fehler beim Messen der Zeiten
T1 und T2 vergrößert wird, wenn die Verzerrung der Wellenform zunimmt. Ein Nachteil
der bekannten Meßeinrichtung nach Figur 1 ist also, daß das Signal-Geräusch-Verhältnis
im empfangenden Ultraschallwandler verschlechtert wird durch Verringerung der oben
erwähnten wirksamen Kontaktfläche, falls der Außendurchmesser des Rohres 6 verringert
wird, wodurch ein Fehler in der Durchflußmessung auftritt, weil die Zeiten T1 und
T2 ungenau gemessen werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung
zum Bestimmen des Durchflusses in einem Rohr vorzuschlagen, die die Unzulänglichkeiten
der bekannten Meßeinrichtung mit Ultraschallwandlern vermeidet und bei der die Meßgenauigkeit
auch dann nicht verschlechtert ist, wenn ein zylindrisches Rohr mit einem relativ
kleinen Durchmesser verwendet wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Meßeinrichtung der oben angegebenen
Art erfindungsgemäß das Schallübertragungsteil an seinen Seitenflächen zur Grundfläche
hin unter Bildung von schräg verlaufenden Flächen mit über die Länge der Grundfläche
gleichbleibendem Neigungswinkel so eingezogen, daß der Querschnitt des Schallübertragungsteils
zumindest im der Grundfläche benachbarten Bereich trapezförmig ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird in vorteilhafter Weise
das durch die Wand des Rohres 6 übertragene Geräusch verringert und das Signal-Geräusch-Verhältnis
verbessert, wodurch eine Durchflußmessung ohne Verringerung der Meßgenauigkeit auch
dann möglich ist, wenn ein zylindrisches Rohr mit einem relativ kleinen Durchmesser
benutzt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung müssen sich die schräg verlaufenden
Flächen nicht nur im unteren Bereich der Seitenflächen befinden; aus Gründen einer
verhältnismäßig einfachen Herstellung der Schallübertragungsteile wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn die schräg verlaufenden Flächen die gesamten Seitenflächen einnehmen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung ist das Schallübertragungsteil an der Grundfläche so breit wie die
entsprechende Abmessung des Ultraschall-Wandlerelementes ist. Hat das Ultraschall-Wandlerelement
einen kreiszylindrischen Aufbau, dann entspricht die Breite der Grundfläche des
Schallübertragungsteiles dem Durchmesser des Ultraschall-Wandlerelementes. Ist bei
einer derartigen Meßeinrichtung die Breite der Grundfläche zusätzlich so bemessen,
daß eine Kontaktfläche zwischen der Grundfläche des Schallübertragungsteils und
der Außenfläche des Rohres gleich der wirksamen Kontaktfläche ist, die zwischen
der Außenfläche eines Rohres mit einem vorgegebenen kleinsten Durchmesser und der
Grundfläche des Schallübertragungsteils gebildet ist,
wobei in
diesem Bereich eine zähe, elastische Ultraschallübertragungsmasse (z. B. Fett) eingebracht
ist, dann wird die wirksame Kontaktfläche nicht verringert, sondern auch konstant
gehalten, wenn der Außendurchmesser des Rohres auf den erwähnten kleinsten Durchmesser
verringert wird. In diesem Falle wird eine Geräuschübertragung über die Wandung
des Rohres 6 nicht vergrößert, selbst wenn der Außendurchmesser des Rohres 6 verringert
wird, da die wirksame Kontaktfläche des Ultraschallwandlers konstant ist wegen der
schräg verlaufenden Flächen an den Seitenflächen, weil dadurch die vom jeweils als
Sender arbeitenden Ultraschallwandler ausgesendete Ultraschallenergie aus der Grundfläche
des Schallübertragungsteils wirksam in das Fluid eintreten kann.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 5 eine perspektivische
Darstellung eines Schallübertragungsteiles einer erfindungsgemäß ausgebildeten Meßeinrichtung,
in Figur 6 eine Seitenansicht entsprechend dem Pfeil F nach Figur 5 desselben Schallübertragungsteils,
in Figur 7 ein Querschnitt durch einen Ultraschallwandler einer Meßeinrichtung gemäß
der Erfindung, in Figur 8 eine zeichnerische Erläuterung der Ultraschallausbreitung
in einer Anordnung nach Figur 7 und. in den Figuren 9 und 10 Darstellungen zur Erläuterung
der Abmessungen des Schallübertragungsteiles nach Figur 7 gezeigt.
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In den Darstellungen nach den Figuren 5 und 6 ist ein Schallübertragungsteil
einer im übrigen im Prinzip wie in Figur 1 ausgebildeten Meßeinrichtung in folgender
Weise gestaltet: In Figur 5 ist eine gedachte Säule 30 gezeigt, die Endflächen 31
und 32 aufweist. Die Endflächen 31 und 32 haben eine übereinstimmende Gestalt und
der Querschnitt der Säule stimmt überall mit der Gestalt der Endflächen überein.
Die Endflächen 31 und 32 sind Sechsecke, die aus einem auf dem Kopf
stehenden
Trapez 31a bzw. 32a bestehen, deren untere Seiten kürzer als die oberen Seiten sind,
und aus Rechtecken 31b und 32b, die mit der oberen Seite der Trapeze verbunden sind,
wobei eine Schrägfläche 27a von der unteren Seite 33 der Endfläche 31 zur oberen
Seite 34 der Endfläche 32 verläuft. Das Schallübertragungsteil 27 ist so gebildet,
daß es in seiner Gestalt dem unteren Teil der Säule 30 entspricht, wenn diese in
zwei Teile durch die Schrägfläche 27a geteilt ist. Ein Ultraschall-Wandlerelement
1 gemäß dem Element 1 nach Figur 1 ist an der Schrägfläche 27a des Schallübertragungsteils
27 mit einem adhäsiven Bindemittel befestigt, und die Grundfläche 27b des Schallübertragungsteils
27 ist zwischen den unteren Seiten 33 und 35 der Endflächen 31 und 32 gebildet.
Die unteren Seiten 33 und 35 haben etwa dieselbe Abmessung wie der Durchmesser des
Ultraschall-Wandlerelementes 1. Dieses Element ist gegenüber der Grundfläche 27b
befestigt. Die Länge der unteren Seiten 33 und 35 entspricht der Breite der Grundfläche
27b. Der Boden des Ultraschallwandlers ist an der Außenfläche eines Rohres gemäß
dem Rohr 6 nach Figur 1 gehalten und dort mittels nicht weiter dargestellter Mittel
befestigt.
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Dabei ist das Schallübertragungsteil 27 so angeordnet, daß die Achse
27c übereinstimmt mit der der Säule 30 und parallel zur Mittenachse des Rohres 6
verläuft.
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Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Meßeinrichtung
in einer ähnlichen Darstellung wie Figur 3 den Stand der Technik, jedoch mit dem
Schallübertragungsteil 27 nach Figur 6 an dem Rohr 6. Auch hier ist der gesamte
Ultraschallwandler 23 mit nicht dargestellten Befestigungsmitteln und einer Fettschicht
12, die zwischen dem Schallübertragungsteil 27 und dem Rohr 6 auch in diesem Fall
gelegt ist, an dem Rohr 6 gehalten. Die Fettschicht 12 ist so angelegt, daß sie
unter der Grundfläche 27b des Schallübertragungsteils 27 seitlich hervorquillt.
Eine schräg verlaufende Fläche 36 ist auf der linken Seite des auf dem Kopf stehenden
trapezförmigen
Teils 32a des Querschnittes des Schallübertragungsteils
27 zusammen mit einer Kante W vorhanden, die von der schräg verlaufenden Fläche
36 und der Grundfläche 27b gebildet ist. Da die Kante W in der Darstellung als ein
Punkt erscheint, wird im folgenden vom Punkt W gesprochen. Da die Breite der Grundfläche
27b etwa dem Durchmesser des Ultraschall-Wandlerelementes 1 entspricht, liegt der
Punkt W dem linken Rand des Ultraschall-Wandlerelementes 1 gegenüber.
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Die Ausbreitung der Ultraschallwelle bei einer Anordnung nach Figur
7 wird nachfolgend anhand der Figur 8 erläutert, wobei diese Figur 8 ist eine vergrößerte
Darstellung zur Erläuterung der Schallausbreitung ist. In dieser Figur sind der
Anordnung nach Figur 4 entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Punkt R in Figur 8 bezeichnet einen Punkt, in dem eine unter dem Winkel zur
Linie Y-Y verlaufende Ultraschallwelle die Grundfläche 27b erreicht und auf die
Fettschicht 12 trifft, wenn das Schallübertragungsteil 27 - wie hier zunächst unterstellt
-keine schräg verlaufende Fläche 36 aufweist, wie dies in der Darstellung nach Figur
4 der Fall ist. Der Winkel g ist der Einfallswinkel, unter dem die Ultraschallwelle
auf die Außenfläche 6a des Rohres 6 fällt und dann in die Wandung eintritt. Eine
gerade Linie WK1 kennzeichnet in Figur 8 den Fall, in dem eine schräg verlaufende
Fläche 36 so gestaltet ist, daß auf ihr der Ultraschall-Ausbreitungspfad QR in einem
rechten Winkel steht; mit anderen Worten: Die schräg verlaufende Fläche 36 und die
Ebene der Grundfläche 27b bilden in diesem Fall einen Winkel oC . In diesem Falle
fällt die von dem Punkt Q unter einem Winkel ausgesandte Ultraschallwelle auf die
Fettschicht 12, als wenn sie die gerade Linie WK1 kreuzen würde, passiert den Punkt
R und tritt nachfolgend in die Wandung des Rohres 6 im Punkte S1 ein, der auf einer
Verlängerung der Linie QR liegt. Der Punkt S1 befindet sich auf der Außenseite 6a
des Rohres 6. Demgemäß ist
ein Einfallswinkel y 1 in bezug auf
das Rohr 6 im Punkte S1 gegeben, der folgender Beziehung genügt:
wobei vorausgesetzt ist, daß eine gerade Linie S1-01 und die gerade Linie Y-Y einen
Winkel + bilden. Da aber der Winkel , gebildet von der geraden Linie RS und der
geraden Linie Y-Y der Winkel ist, der aufgrund des Snelliusschen Brechungsgesetzes
wegen der gebrochenen Ultraschallwelle entsprechend der Beschreibung zu Figur 4
gebildet ist, gilt
unter der Annahme, daß die Schallgeschwindigkeit im Schallübertragungsteil 27 C1
und in der Fettschicht C2 ist, wobei zusätzlich vorausgesetzt ist, daß ß < α,
da normalerweise Cl > C2 ist. Da - wie oben erwähnt - α > gilt, liegt
der Punkt S1 einer unter dem Winkel α ausgesandten Ultraschallwelle weiter
weg von der geraden Linie Y-Y als der Punkt S. Daher ist
Mit anderen Worten, da
In Figur 8 kennzeichnet die gerade Linie WK2 ein Schallübertragungsteil, bei dem
die schräg verlaufende Fläche 36 unter einem Winkels α 2 verläuft, der größer
alssc ist; ein Punkt N bezeichnet die Stelle, wo die vom Punkt Q in Richtung der
Linie QS1 ausgesandte Ultraschallwelle die schräg verlaufende Fläche 36 erreicht.
Im Punkte 52 fällt die im Punkte N gebrochene und durch die Fettschicht 12 gelaufene
Ultraschallwelle auf die Außenfläche 6a des Rohres 6. Es bildet sich somit ein Ultraschallausbreitungspfad
NS2 mit einem Winkel p 2 zwischen dem Ausbreitungspfad und der geraden Linie Y-Y
im Punkte N, der offensichtlich größer als der Winkelct ist.
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Demgemäß liegt der Punkt S2 weiter weg von der geraden Linie Y-Y als
der Punkt S1, und es bildet sich ein Winkel t 2 zwischen der geraden Linie 52-01
und der geraden Linie Y-Y, für den gilt +2 > + 1. Infolgedessen ist ein Einfallswinkel
g 2 der im Punkte S2 vom Punkte N einfallenden Ultraschallwelle größer als yi, da
2 = f2 + /3 2.
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Wenn ein Winkel £, gebildet von der schräg verlaufenden Fläche 36
mit der Ebene der Grundfläche 27b nach den Figuren 7 und 8 groß wird, dann wächst
der Einfallswinkel der vom Punkte Q unter einem Winkel oC ausgehenden Ultraschallwelle
an der Außenfläche 6a des Rohres 6 offensichtlich an, und entsprechend wird der
Ausfallswinkel innerhalb der Wandung des Rohres größer. Wie oben beschrieben fällt
die in der Wandung des Rohres 6 verlaufende Ultraschallwelle in dem jeweils als
Empfänger arbeitenden Ultraschallwandler, der gegenüber dem jeweils als Sender wirkenden
Ultraschallwandler angeordnet ist, als Geräusch an, das sich verringert, da der
Ausbreitungspfad der Ultraschallwelle in der Wandung länger wird, wenn der Ausfallswinkel
an der Außenfläche 6a des Rohres 6 größer wird. Wenn demgemäß die schräg verlaufende
Fläche 36 an dem Schallübertragungsteil 27 vorgesehen ist, wird der Einfallwinkel
der von dem Ultraschall-Wandlerelement 1 unter einem Winkel ausgesandten Ultraschallwelle
an der Außenseite des Rohres 6 größer als bei Verwendung eines Schallübertragungsteils
gemäß Figur 3, das keine schräg verlaufende Fläche 36a aufweist, so daß das Signal-Geräusch-Verhältnis
im als Empfänger arbeitenden Ultraschallwandler verbessert im Vergleich zu der bekannten
Meßeinrichtung ist. Experimente haben bewiesen, daß bei einem Winkel £ nach Figur
7 von 45e und einem Rohr 6 mit einem Durchmesser von 2,54 cm einem Schallübertragungsteil
mit einer Grundfläche 27b, die in Berührung mit dem Rohr 6 über eine Fettschicht
12 steht und etwa der wirksamen Kontaktfläche entspricht, das Signal-Geräusch-Verhältnis
um das
1,5fache verbessert wurde gegenüber einer Ausführung mit
einem Schallübertragungsteil ohne schräg verlaufende Flächen 36 und 37.
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Im Falle des oben beschriebenen Experimentes entsprach die Breite
der Grundfläche 27b des Schallübertragungsteiles' 27 dem Durchmesser des Ultraschall-Wandlerelementes
1, wobei die Grundfläche 27b dem Ultraschall-Wandlerelement 1 gegenüber angeordnet
war. Dabei ergaben sich Vorteile, die mittels der Figuren 9 und 10 näher erläutert
werden. Diese Figuren 9 und 10 zeigen Grundflächen 27b von Schallübertragungsteilen,
die breiter bzw. schmaler als der Durchmesser des verwendeten Ultraschall-Wandlerelementes
1 sind. Diese Figuren stellen ebenfalls Querschnittsdarstellungen entsprechend der
Figur 7 dar. Lediglich ein Gehäuse 13 ist in diesem Falle nicht gezeigt.
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In Figur 9 liegt eine schräg verlaufende Fläche 37 der schräg verlaufenden
Fläche 36 eines umgekehrten trapezförmigen Querschnittsteils 32a gegenüber, und
eine Kante U entsprechend der Kante W sowie Punkte 38 und 39 auf der linken bzw.
rechten Seite vom Ultraschall-Wandlerelement 1 sind auf der Grundfläche 27b des
Schallübertragungsteils 27 vorhanden. Die Kante U wird nachfolgend wieder als Punkt
U bezeichnet. Da eine Ultraschallwelle ganz allgemein in Abhängigkeit von der Entfernung
gedämpft wird, die sie in einem Medium zurücklegt, hat die Ultraschallwelle dort
eine höchste Intensität, wenn sie den Teil durchläuft, der der Schallquelle am dichtesten
liegt. Daher hat die vom Ultraschall-Wandlerelement 1 ausgehende Ultraschallwelle,
die höchste Intensität, die durch den Teil der Grundfläche 27b zwischen den Punkten
38 und 39 geht, da diese dem Ultraschall-Wandlerelement 1 am nächsten liegen. Die
Ultrashallwellen, die Teile der Grundfläche 27b zwischen den Punkten W und 38 sowie
U und 39 passieren, sind dagegen von geringerer Intensität als die zwischen den
Punkten
38 und 39, was entsprechend für die Intensität der durch den anderen Ultraschallwandler
empfangenen Ultraschallwellen gilt. Auf der anderen Seite verursachten die Ultraschallwellen
- wie in Figur 4 bereits gezeigt -, die zwischen den Punkten W und 38 und U und
39 verlaufen, eine Verstärkung des Geräusches nach dem Durchlaufen der Wandung des
Rohres 6, wenn der Winkel ob größer wird. Dies bedeutet, daß, wenn die Breite der
Grundfläche 27b, d. h. die Entfernung zwischen den Punkten W und U, erheblich größer
als der Durchmesser des Ultraschall-Wandlerelementes 1 ist, das Bemühen um Verbesserung
des Signal-Geräusch-Verhältnisses im empfangenden Ultraschallwandler trotz der schräg
verlaufenden Flächen 36 und 37 beeinträchtigt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 liegen Punkte 40 und 41
in der Ebene der Grundfläche 27b links und rechts außerhalb der entsprechenden Begrenzungsflächen
der Ultraschall-Wandleranordnung 1. In diesem Falle fallen Ultraschallwellen, die
von dem Ultraschall-Wandlerelement 1 ausgesendet werden und Bereiche zwischen den
Punkten 40 und W bzw. 41 und U durchdringen, wegen der oben erwähnten Brechung und
wegen des Vorhandenseins der schräg verlaufenden Flächen 36 und 37 nicht wirksam
in das Fluid 5. Von den von dem Ultraschall-Wandlerelement 1 ausgesandten Ultraschallwellen
gelangen nur jene, die den Bereich zwischen den Punkten W und U durchsetzen, in
das Fluid 5. Mit anderen Worten: Da nur ein Teil der von dem Ultraschall-Wandlerelement
1 nach Figur 10 ausgesandten Ultraschallwellen nützlich ist, wird das Signal-Geräusch-Verhältnis
auch in diesem Falle verschlechtert. Wenn im Unterschied dazu die Breite der Grundfläche
27b und der Durchmesser des Ultraschall-Wandlerelementes 1 annähernd gleich groß
sind wie bei der oben erwähnten Ausführung der Erfindung, dann wird bei den Ausführungen
nach den Figuren 5 bis 7 die von dem Ultraschall-Wandlerelement ausgesandte Energie
wirksamer ausgenutzt als
bei den Beispielen nach den Figuren 9
und 10, so daß das Signal-Geräusch-Verhältnis verbessert wird, wobei die schräg
verlaufenden Flächen 36 und 37 eine weitere Verbesserung bringen. Wenn ein Ultraschallwandler
23 gemäß der Erfindung nach den Figuren 5 bis 7 an einem Rohr 6 mit einem im Hinblick
die Durchflußmeßeinrichtung vorstellbar kleinsten Durchmesser angebracht wird, wird
eine solche Anordnung getroffen, daß die Abmessungen des Schallübertragungsteils
27 und des Ultraschall-Wandlerelementes 1 so bemessen sind, daß eine wirksame Kontaktfläche
zwischen der Grundfläche 27b und dem Rohr 6 entsteht, die dem Bereich der Grundfläche
27b nach Figur 7 entspricht. Aus diesem Grunde wird die wirksame Kontaktfläche sogar
dann, wenn der Außendurchmesser des Rohres 6 größer als der oben erwähnte kleinste
Außendurchmesser ist, nur geringfügig wegen der schräg verlaufenden Fläche 36 und
37 verändert. Mit anderen Worten: Die Benutzung eines Ultraschallwandlers 23 gemäß
der Erfindung verhindert eine Verringerung der wirksamen Kontaktfläche und hält
diese konstant groß, auch wenn der Rohrdurchmesser verringert ist bzw. wenn ein
Rohr mit dem oben definierten Durchmesser Verwendung findet. Darüberhinaus ist -
wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich hervorgeht -die Geräuschübertragung
über die Wand des Rohres 6 wegen des Vorhandenseins der schräg verlaufenden Flächen
36 und 37 verringert, und darüberhinaus wird die von der von dem Ultraschall-Wandlerelement
1 ausgesandte Ultraschallwelle wirksamer in das Fluid 5 ohne Vergrößerung des Geräusches
in der Wand 6 geleitet, weil die Breite der Grundfläche 27b etwa dem Durchmesser
des Ultraschall-Wandlerelementes 1 entspricht. Dies führt im Ergebnis dazu, daß
bei einer Meßeinrichtung mit einem Ultraschallwand ler 23 das Signal-Geräusch-Verhältnis
in einem dem sendenden Wandler gegenüberliegenden empfangenden Ultraschallwandler
nicht verringert wird, und zwar selbst dann nicht, wenn der Durchmesser des Rohres
6 den kleinsten, oben erwähnten Wert aufweist.
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Es sei nochmals erwähnt, daß die Schallübertragungsteile 27 und 28
nach Figur 5 aus einer sechseckigen Säule 13 hergestellt gedacht sind, wie dies
in Figur 7 zu Beschreibungszwecken dargestellt ist; es kann aber auch jedes Schallübertragungsteil
eine viereckige Säule mit Teilen 31a und 32a eines umgekehrten Trapezes nach Figur
7 an beiden Endflächen sein, ohne daß ein Unterschied zwischen der Funktion und
den Wirkungen eines solchen Schallübertragungsteils im Vergleich zu dem nach Figur
7 erkennbar ist, wenn ein solches abgeändertes Schallübertragungsteil Verwendung
findet.
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Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die Ultraschallwandler 23 gemäß
der Erfindung nicht nur auf zylindrischen Rohren Verwendung finden können, sondern
auch an Rohren angebracht werden können, die einen eckigen Querschnitt haben. Dabei
ist es nicht erforderlich, daß die Ultraschallwandler so an dem Rohr befestigt sind,
daß die Achsen des Rohres und der Schallübertragungsteile immer parallel zueinander
verlaufen.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß bei einer Meßeinrichtung gemäß
der Erfindung, bei der die Breite der Grundfläche des Schallübertragungsteiles bzw.
die untere Seite eines trapezförmigen Teils des Querschnitts so ausgestaltet ist,
daß eine Kontaktfläche entsprechend dem Ultraschall-Wandlerelement zwischen der
Grundfläche und der Außenfläche des Rohres gleich der wirksamen Kontaktfläche ist,
die zwischen der Außenfläche eines Rohres mit dem erwähnten kleinsten Durchmesser
und der Grundfläche des Schallübertragungselementes unter Zwischenfügung eines zähen
elastischen Schallübertragungsmediums wie Fett gebildet ist, die wirksame Kontaktfläche
nicht verringert wird, sondern wegen der schräg verlaufenden Flächen an den Seitenflächen
des Schallübertragungsteiles auch dann gleich bleibt, wenn der Außendurchmesser
des Rohres auf den kleinsten praktisch vorkommenden Wert verringert ist. Demgemäß
ist bei einer solchen Meßein-
richtung die Geräuschausbreitung
in der Wand des Rohres an einem Ansteigen auch dann gehindert, wenn der Außendurchmesser
des Rohres verringert ist, da die wirksame Kontaktfläche konstant ist und weil das
Schallübertragungsteil schräg verlaufende Flächen aufweist, wodurch die von dem
jeweiligen Ultraschall-Wandlerelement ausgesandte Ultraschall-Energie das Fluid
wirksam über die Grundfläche des Schallübertragungsteils erreichen kann. Dies führt
dazu, daß auch bei verhältnismäßig kleinem Außendurchmesser des Rohres das Signal-Geräusch-Verhältnis
nicht vermindert ist, so daß eine hohe Durchflußmeßgenauigkeit durch eine genaue
Messung der Schall- Laufzeiten ermöglicht ist.
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