DE4439399C2 - Ultraschall-Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Durch­ flußmesser mit einem geraden Meßrohr und mindestens einer zu dessen Achse schräg verlaufenden geraden Meß­ strecke, die an ihren beiden Enden je ein Wandlerele­ ment aufweist, das an einer als Schallfenster ausgebil­ deten Wand anliegt und durch diese vom Durchflußkanal getrennt ist.

Bei einem bekannten Ultraschall-Durchflußmesser dieser Art (Fig. 16 des vorveröffentlichten Prospekts "Ultra­ flux" der Firma Ultraflux in Poissy Frankreich) ist das Wandlerelement am Ende der schrägverlaufenden Meß­ strecke am Grund einer zylindrischen Bohrung angeord­ net, die in einem in das Meßrohr eingeschweißten Ein­ satz ausgebildet ist. Die die Bohrung abschließende Schallfensterwand hat den Vorteil, daß das Wandlerele­ ment nicht mit dem Durchflußmedium in Berührung kommt und daher auch nicht verschmutzen kann. Nachteilig ist jedoch, daß der Verlauf der Schweißnähte zu unzugäng­ lichen Spalten im Inneren des Meßrohres führt, was eine Spaltkorrosion ergeben kann und die Säuberung er­ schwert, so daß u. a. ein Einsatz bei Verwendung zu hy­ gienischen Zwecken nicht möglich ist. Eine genaue Be­ arbeitung der Trennwand, wie sie aus Gründen höherer Effektivität erwünscht ist, bereitet Schwierigkeiten. Wenn das Meßrohr Flansche besitzt, müssen diese ausrei­ chend weit vom Einsatz entfernt sein, damit man das Wandlerelement aus- und einbauen kann. Die hierdurch bedingte große Baulänge kann man zwar durch einen grö­ ßeren Winkel zwischen Meßstrecke und Meßrohrachse ver­ ringern; dies ist aber aus meßtechnischen Gründen un­ erwünscht und führt zu einer Vergrößerung der radialen Baugröße.

Bei den gattungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmessern gemäß GB 1 413 043 und GB 2 101 318 A sind die Schall­ fenster als separate Teile ausgebildet und in einem Träger gehalten, der seinerseits mit weiteren Teilen des Meßrohres verbunden ist. Hier stört unter anderem die Vielzahl der dicht miteinander zu verbindenden Bau­ elemente.

Bekannt ist es auch (DE 41 18 810 C2 und DE 41 43 509 A1) bei der Messung nach dem Hochfrequenz-Ultraschall- Doppler-Prinzip, bei dem der Empfangsschallwandler an Partikeln reflektierte Signale des Sendeschallwandlers aufnimmt, Schallfenster einstückig mit der Gehäusewand auszubilden. Die Schallfenster sind im Querschnitt keilförmig. Ihre Innenfläche wird durch die Umfangsflä­ che der Gehäusebohrung und ihre Außenfläche durch eine an der Außenseite des Gehäuses vorgesehenen Nut ausge­ bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultra­ schall-Durchflußmesser der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der den Forderungen der Praxis besser ge­ recht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schallfensterwand einstückig mit dem angrenzenden Rohrabschnitt des Meßrohres ausgebildet ist, ihre In­ nenfläche eine vom Durchflußkanal ausgehende Vertiefung der Meßrohrwand begrenzt und ihre Außenfläche an einem Rücksprung der Meßrohraußenseite ausgebildet ist.

Da die Außenfläche der Schallfensterwand nicht am Grund einer Bohrung, sondern an einem Rücksprung der Meßrohr­ außenseite liegt, bildet sie eine die übrige Außenflä­ che schneidende Fläche, die sich sehr leicht mit einem von außen herangeführten Werkzeug, z. B. einem Scheiben­ fräser, bearbeiten läßt. Durch entsprechende Spanabnah­ me kann man die Dicke der Schallfensterwand auf einen für den Schalldurchgang optimalen Wert von insbesondere der halben Wellenlänge des Ultraschallsignals ± 0,1 mm einstellen und der Außenfläche, an der das Wandlerele­ ment unter Zwischenlage eines Kontaktfetts anliegt, ein hohes Maß an Ebenheit mit Abweichungen von nur etwa 5 µm geben.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Wandlerele­ ment parallel zur Außenfläche der Schallfensterwand eingeführt werden kann, die Meßrohrabmessungen daher auch bei Verwendung von Flanschen kleingehalten werden können.

Infolge der einstückigen Ausbildung entfallen alle Schweißarbeiten im Bereich der Trennwand. Es gibt keine unzugänglichen Spalten und daher auch keine Spaltkor­ rosion. Das Meßrohr läßt sich gut säubern und ist daher auch für hygienische Anwendungszwecke geeignet.

Mit Vorteil ist dafür gesorgt, daß die Vertiefung eine Längsnut ist, die in Richtung der Meßstrecke verläuft, und die Innenfläche durch die Stirnseite der Längsnut gebildet ist. Eine solche Längsnut berücksichtigt den Verlauf der Meßstrecke, beeinträchtigt aber den Durch­ flußquerschnitt im übrigen nur wenig.

Günstig ist es auch, daß die Vertiefung beim Gießen des Meßrohres eingeformt worden ist. Dies spart eine auf­ wendige spanabhebende Bearbeitung.

In vielen Fällen ist auf diese Weise die Innenfläche der Schallfensterwand bereits fertiggestellt. Insbeson­ dere kann dann das Meßrohr einstückig im Präzisionsguß­ verfahren hergestellt sein.

In manchen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, daß die Innenfläche durch ein Werkzeug bearbeitet ist. Ins­ besondere kann auf diese Weise die Innenfläche feinge­ schliffen werden, um durchgehend eine konstante Dicke zu erhalten.

Bei längeren Meßrohren kann es schwierig sein, die In­ nenfläche mit dem Werkzeug zu erreichen. In diesem Fall ist es empfehlenswert, daß die Enden der Meßstrecke in getrennt gefertigten Meßrohrabschnitten angeordnet sind, die direkt oder unter Zwischenschaltung eines Mittelstücks miteinander verbunden sind. Bei dieser Gestaltung kann die Innenfläche beispielsweise mit ei­ nem Stirnfräser bearbeitet werden. Die einzelnen Ab­ schnitte können miteinander verschweißt, verlötet, ver­ schraubt oder auf sonstige Weise verbunden werden.

Günstig ist es auch, daß ein Wandleraufnahmeraum ein­ stückig mit dem angrenzenden Abschnitt des Meßrohrs ausgebildet ist, indem das Meßrohr etwa parallel zur Außenfläche eine Stützfläche trägt und das Wandlerele­ ment mit einer Andruckfeder zwischen Außenfläche und Stützfläche angeordnet sind. In diesem Wandleraufnahme­ raum läßt sich das Wandlerelement leicht einbauen.

Insbesondere empfiehlt es sich, daß Außenfläche und Stützfläche Seitenwände einer etwa tangential verlau­ fenden Tangentialnut sind. Eine solche Tangentialnut läßt sich sehr leicht herstellen und hinsichtlich der von einer Seitenwand gebildeten Außenfläche der Schall­ fensterwand auch leicht bearbeiten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß das Wandlerelement in einer Halterung aus Kunststoff angeordnet ist, die zwischen Außenfläche und Stützfläche einschiebbar und in der Endlage durch einen Rasteingriff gesichert ist, wobei die an der Halterung abgestützte Andruckfeder das Wandlerelement gegen die Außenfläche direkt und die Halterung in Rasteingriff hält. Durch die geführte Halterung wird das Wandlerele­ ment sicher an Ort und Stelle gehalten.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Halterung elektrisch isolierend und die Andruckfeder Teil der einen elektri­ schen Anschlußleitung zum Wandlerelement, während die andere Anschlußleitung durch Schallfensterwand und Meß­ rohr gebildet ist. Dies ergibt eine besonders einfache Anschlußvorrichtung.

Von Vorteil ist es auch, daß das Meßrohr einen dünnwan­ digen Mittelabschnitt und im Bereich der Vertiefungen Abschnitte mit sich konisch zu den Enden hin erweitern­ der Oberfläche aufweist. Eine solche Ausgestaltung ist dem schrägen Meßstreckenverlauf angepaßt. Sie erlaubt es auch, im Erweiterungsbereich mehrere über den Umfang verteilte Wandlerelemente und Schallfensterwände vor­ zusehen, so daß sich mehrere Meßstrecken ergeben, die beispielsweise mit unterschiedlichen Schallfrequenzen betrieben werden können.

Bei einer empfehlenswerten Ausgestaltung ist der Wand­ leraufnahmeraum am Grund eines einstückig mit dem an­ grenzenden Abschnitt des Meßrohrs ausgebildeten An­ schlußgehäuses angeordnet. Alle wesentlichen Teile, wie Schallfensterwand, Wandleraufnahmeraum und Anschlußge­ häuse sind demnach einstückig mit dem Meßrohr gefer­ tigt. Dies ergibt einen rationellen Herstellungsprozeß. Der das Anschlußgehäuse üblicherweise abschließende Deckel verschließt dann auch den Wandleraufnahmeraum.

Eine ebenfalls empfehlenswerte Alternative weist eine alle Wandleraufnahmeräume umgebende zylindrische Kapsel auf. Diese Kapsel schützt alle in ihrem Innenraum lie­ genden Teile. Sie eignet sich insbesondere zur Abdeckung einer als Wandlergehäuse dienenden Tangentialnut.

Die Kapsel kann darüber hinaus ein Anschlußgehäuse tragen, das dann allen Wandlerelementen gemeinsam ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmesser,

Fig. 2 den Endbereich einer Meßstrecke in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Ansicht der Seitenwand der Tangentialnut in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines zwei­ ten Ausführungsbeispiels und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Meßrohr 1 besteht aus zwei äußeren Meßrohrabschnitten 2 und 3 sowie einem Mittelabschnitt 4, die an den Stoßstellen 5 und 6 stumpf aneinander geschweißt sind. Der dünnwandige Mit­ telabschnitt 4 ist von einer Ultraschall ableitenden Hülse 7, die ein Ultraschallenergie aufnehmendes Mate­ rial aufweist, umschlossen. Die beiden äußeren Ab­ schnitte 2 und 3 besitzen je einen Flansch 8 bzw. 9. Das Meßrohr 1 wird insgesamt von einem Durchflußkanal 10 durchsetzt, der sich in Richtung der Achse 11 des Meßrohres 1 erstreckt.

Eine Ultraschall-Meßstrecke 12 verläuft schräg zur Meß­ rohrachse 11, in diesem Ausführungsbeispiel in einem Winkel von etwa 15°. An den Enden der Meßstrecke 12 befindet sich jeweils ein Wandlerelement 13, das aus einer Scheibe aus piezoelektrischer Keramik besteht und mit Hilfe einer Andruckfeder 14 gegen die Außenfläche 15 einer ein Schallfenster bildenden Wand 16 gedrückt wird, deren Innenfläche 17 dem Durchflußkanal 10 zuge­ wandt ist. Die Andruckfeder 14 stützt sich an einer zur Außenfläche 15 parallelen Stützfläche 18 ab. Außenflä­ che 15 und Stützfläche 18 bilden die beiden Seiten ei­ ner etwa tangential verlaufenden Tangentialnut 19. Die Innenfläche 17 ist die Stirnfläche einer in Richtung der Meßstrecke 12 verlaufenden Längsnut 20, die vom Durchflußkanal 10 ausgeht und sich an einer Stelle des Meßrohres 1 befindet, wo dieses eine sich konisch zu den Enden hin erweiternde Oberfläche 21 aufweist. Auf diese Weise ist die Schallfensterwand 16 und ein durch die Tangentialnut 19 gebildeter Wandleraufnahmeraum 22 einstückig mit den Meßrohrabschnitten 2 bzw. 3 ausge­ bildet.

Die Außenfläche 15 der Schallfensterwand 16 läßt sich leicht durch ein von außen angreifendes Werkzeug, z. B. einen Scheibenfräser, derart bearbeiten, daß sie eine äußerst ebene Oberfläche mit Abweichungen von weni­ gen µm, beispielsweise 5 µm, besitzt und die Dicke der Schallfensterwand 16 bis auf 0,1 mm genau der halben Wellenlänge des zur Messung benutzten Ultraschallsi­ gnals entspricht. Die Innenfläche 17 dieser Schallfen­ sterwand 16 braucht überhaupt nicht bearbeitet zu wer­ den, wenn das Meßrohr im Präzisionsgießverfahren, bei­ spielsweise im Wachsschmelzverfahren, hergestellt wor­ den ist. Wenn aber eine nachträgliche Bearbeitung ge­ wünscht wird, ist dies bei einem zunächst geteilten Meßrohr, wie es Fig. 1 zeigt, ohne Schwierigkeiten mög­ lich, weil man die Innenfläche 17 mit einem Stirnfräser o. dgl. leicht erreichen kann.

Beim Ausbau des Wandlerelements 13 hat dessen Bewegung außer der radialen Komponente eine zur Mitte des Meß­ rohres hin gerichtete Axialkomponente. Dies bedeutet, daß die Flansche axial dicht neben den Enden der Meß­ strecke 12 angeordnet werden können, d. h. die Länge des Meßrohres klein gehalten werden kann.

Die geringe Schrägneigung der Meßstrecke 12 hat den Vorteil, daß ihre Länge, verglichen mit der Meßrohrlän­ ge nicht wesentlich verringert ist, so daß auch die Meßgenauigkeit hoch ist. Die Längsnuten 20 bilden au­ ßerhalb des kreisförmigen Bereichs des Durchflußkanals 10 einen Bereich, in dem die Strömung gleich Null ist. Dieser Bereich ist vergleichsweise klein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Meß­ rohrabschnitte 2, 3 und 4 aus rostfreiem Stahl. Sie können aber auch aus Messing, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein.

Der gesamte Arbeitsbereich ist durch eine zylindrische Kapsel 23 umschlossen, die mit den Meßrohrabschnitten 2 und 3 verschweißt ist. Auf diese Weise kann kein Wasser in die Wandleraufnahmeräume 22 eindringen. An der Kap­ sel 23 ist über ein Rohr 24 ein Anschlußgehäuse 25 be­ festigt. In dieses Gehäuse führen sämtliche Anschluß­ leitungen der einzelnen Wandlerelemente 13.

In Fig. 2 und 3 ist vergrößert der Endbereich der Meß­ strecke in einer Form veranschaulicht, wie sie in der Praxis besonders geeignet ist. In die Tangentialnut 19 ist eine Halterung 29 aus Kunststoff eingesetzt, die einen kreuzförmigen Führungsvorsprung 28 aufweist, der in einer Nutenkreuz-Vertiefung 26 in der Seitenwand 18 der Tangentialnut 19 einrastet. Die Halterung 29 bei­ sitzt einen vorderen Ringrand 30, in welchem das Wand­ lerelement 13 verschiebbar gehalten ist. Die Andruckfe­ der 14 drückt daher das Wandlerelement 13 gegen die Außenfläche 15 und die Halterung 29 gegen die Stützflä­ che 18. Die Andruckfeder 14 ist ferner mit einer An­ schlußleitung 31 verbunden, während die andere An­ schlußleitung durch die Schallfensterwand 16 und das Meßrohr gebildet wird. Beim Einbau wird zwischen Wand­ lerelement 13 und Außenfläche 15 ein Kontaktfett einge­ bracht, insbesondere ein Fluorfett, das gute Kontakt­ eigenschaften hat, aber mit möglichst geringer Dicke aufgetragen werden soll, was wiederum die erwähnte gro­ ße Ebenheit der Außenfläche 15 fordert.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4, bei dem für ent­ sprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet werden, unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 in folgenden Punkten. Der Meßrohrabschnitt 103 bildet eine Hälfte des Meßrohres 101. Die andere Hälfte ist iden­ tisch und kann an der Stoßstelle 106 mit der Hälfte 103 verbunden werden. Es sind zwei Meßstrecken 112 und 112a mit einer Schallfensterwand 116 bzw. 116a und einem Wandleraufnahmeraum 122 bzw. 122a vorgesehen. Jedem Wandleraufnahmeraum ist ein Anschlußgehäuse 125 bzw. 125a zugeordnet, das mit einem in eine Ringnut 132 ein­ greifenden Deckel verschlossen werden kann und mit ei­ nem Anschlußleitungskanal 133 versehen ist.

In Fig. 5, bei dem für entsprechende Teile um 200 er­ höhte Bezugszeichen verwendet werden, ist ein Meßrohr 201 veranschaulicht, das aus zwei Hälften 202 und 203 besteht, die mittels Schrauben 234 miteinander verbun­ den sind. Die Dicke der Wände 235 ist so gewählt, daß sowohl die Schrauben 234 als auch die Wandleraufnahme­ räume 222 Platz finden. Wiederum schneidet die Meß­ strecke 212 die Achse 211 des Durchflußkanals 210 in einem Winkel von etwa 15°. Die beiden Hälften werden unter Zwischenlage einer Dichtung 236 aneinander gehal­ ten.

Claims (14)

1. Ultraschall-Durchflußmesser mit einem geraden Meß­ rohr und mindestens einer zu dessen Achse schräg verlaufenden geraden Meßstrecke, die an ihren bei­ den Enden je ein Wandlerelement aufweist, das an einer als Schallfenster ausgebildeten Wand anliegt und durch diese vom Durchflußkanal getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfensterwand (16; 116, 116a; 216) einstückig mit dem angrenzen­ den Rohrabschnitt (2, 3; 103; 202, 203) des Meßroh­ res (1; 101; 201) ausgebildet ist, ihre Innenfläche (17) eine vom Durchflußkanal (10; 110; 210) ausge­ hende Vertiefung (20) der Meßrohrwand begrenzt und ihre Außenfläche (15) an einem Rücksprung der Meß­ rohraußenseite ausgebildet ist.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vertiefung (20) eine Längsnut ist, die in Richtung der Meßstrecke (12) verläuft, und die Innenfläche (17) durch die Stirnseite der Längsnut gebildet ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (20) beim Gießen des Meßrohres (1) eingeformt worden ist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr einstückig im Präzisionsgußverfahren hergestellt ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (17) durch ein Werkzeug bearbeitet ist.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Meß­ strecke (12; 112, 112a; 212) in getrennt gefertig­ ten Meßrohrabschnitten (2, 3; 103; 202, 203) ange­ ordnet sind, die direkt oder unter Zwischenschal­ tung eines Mittelstücks (4) miteinander verbunden sind.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandleraufnahmeraum (22; 122, 122a; 222) einstückig mit dem angrenzen­ dem Abschnitt (2, 3; 103; 202, 203) des Meßrohrs (1; 101; 201) ausgebildet ist, indem das Meßrohr etwa parallel zur Außenfläche (15) eine Stützfläche (18) trägt und das Wandlerelement (13) mit einer Andruckfeder (14) zwischen Außenfläche (15) und Stützfläche (18) angeordnet sind.

8. Durchflußmesser Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Außenfläche (15) und Stützfläche (18) Seiten­ wände einer etwa tangential verlaufenden Tangenti­ alnut (19) sind.

9. Durchflußmesser nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (13) in ei­ ner Halterung (29) aus Kunststoff angeordnet ist, die zwischen Außenfläche (15) und Stützfläche (18) einschiebbar und in der Endlage durch einen Rasteingriff gesichert ist, wobei die an der Halte­ rung (29) abgestützte Andruckfeder (14) das Wand­ lerelement (13) gegen die Außenfläche (15) drückt und die Halterung (29) in Rasteingriff hält.

10. Durchflußmesser nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halterung (29) elektrisch isolie­ rend und die Andruckfeder (14) Teil der einen elek­ trischen Anschlußleitung zum Wandlerelement (13) ist, während die andere Anschlußleitung durch Schallfensterwand (16) und Meßrohr (1) gebildet ist.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) einen dünnwandigen Mittelabschnitt (4) und im Bereich der Vertiefungen (20) Abschnitte mit sich konisch zu den Enden hin erweiternder Oberfläche (21). auf­ weist.

12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandleraufnahmeraum (122, 122a) am Grund eines einstückig mit dem an­ grenzenden Abschnitt (103) des Meßrohrs (101) aus­ gebildeten Anschlußgehäuses angeordnet ist.

13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine alle Wandleraufnahmeräume (22) umgebende zylindrische Kapsel (23).

14. Durchflußmesser nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kapsel (23) ein Anschlußgehäuse (25) trägt.