DE4439400C2 - Ultraschall-Durchflußmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Durch­ flußmeßgerät mit einem Meßrohr, durch das eine Meß­ strecke verläuft, die im Bereich ihrer Enden je ein Ultraschall-Wandlerelement aufweist, wobei das Meßrohr an seiner Außenseite mit einem Schallableitkörper zur Verminderung von Störsignalen versehen ist.

Bei einem bekannten Meßgerät dieser Art (DE 30 39 710 C2) durchsetzt ein gerades Meßrohr eine Trennwand zwi­ schen einer Eintrittskammer und einer Austrittskammer. Das Meßrohr ist im Bereich der Trennwand von zwei Man­ schetten aus Ultraschall absorbierendem Material umge­ ben. Die Manschetten besitzen eine rauh gestaltete Oberfläche und bewirken eine diffuse Reflexion. Statt dessen können die Manschetten aber auch glatt sein und schrägverlaufende Oberflächen haben, an denen die Ul­ traschallsignale reflektiert werden.

Bei einem anderen bekannten Meßgerät (EP 0 457 999 A1) ist ein gerades Meßrohr nahe seinen Enden mit je einer radial nach außen ragenden Wandlerscheibe versehen, die je ein Ultraschall-Wandlerelement trägt, das abwech­ selnd als Sender und Empfänger dient. Bei Erregung ei­ nes Wandlerelements wird die Wandlerscheibe in Schwin­ gungen versetzt, die auf die das Meßrohr durchströmende Flüssigkeit übertragen werden. Man kann daher die Lauf­ zeit des Ultraschallsignals bis zum Erreichen der zwei­ ten Wandlerscheibe messen und zur Ermittlung des Durch­ flusses auswerten. Allerdings wird auch die Wandung des Meßrohrs in Schwingungen versetzt, was zu einem das Meßergebnis beeinträchtigenden Störsignal führt. Um dieses Störsignal klein zu halten, ist ein Meßrohrab­ schnitt zwischen den Wandlerscheiben mit einer verdick­ ten Wand versehen, diese kann zur Verbesserung der Dämpfung mit einer oder mehreren Ringnuten versehen werden, die gegebenenfalls auch mit dämpfendem Materi­ al, zum Beispiel einem Kunststoff, gefüllt ist. Die Dämpfungswirkung ist jedoch begrenzt.

Bei einem anderen bekannten Meßgerät (engl. Abstract aus JP-Patentanmeldung 6-117 894 A) ist zur Verringe­ rung des Störsignals eine Manschette aus einem schall­ absorbierenden Material, nämlich einem Gel, um das Meß­ rohr gelegt. Auch hier ist die dämpfende Wirkung be­ grenzt. Sie hängt von der Schallkupplung zwischen Meß­ rohr und Gel ab. Bei niedrigen Temperaturen wird das Gel steifer und verliert seine dämpfenden Eigenschaf­ ten. Bei hohen Temperaturen ist das Gel nicht bestän­ dig.

Bekannt ist auch ein Ultraschall-Durchflußmesser (DE 39 11 408 A1), bei dem die Außenseite des Meßrohres ein sägezahnförmiges Außenprofil besitzt. Hiermit sollen die in die Wände des Meßrohres hineingebrochenen Strah­ len durch diffuse Reflexionen in ihrer Wirkung in das Medium hinein nahezu vollständig eliminiert werden.

Außerdem ist ein Ultraschall-Durchflußmesser bekannt (DE 33 31 531 C2), der eine schräg zum Meßrohr verlau­ fende Meßstrecke besitzt, an deren Enden sich je ein Sende- bzw. Empfangs-Ultraschallwandler befinden. Die Außenseite des Ultraschallwandlers ist durch eine Schall absorbierende Vergußmasse abgedeckt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein mit Mikroglashohlkugeln gefülltes Epoxidharz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultra­ schall-Meßgerät der eingangs beschriebenen Art anzuge­ ben, bei dem die Meßgenauigkeit verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schallableitkörper in seinem Inneren eine große Zahl von schallreflektierenden Grenzflächen in Zufalls­ verteilung aufweist, indem er im wesentlichen aus zu­ sammengelöteten Metallstücken besteht.

Bei dieser Konstruktion wird die über die Meßrohrwand übertragene Schallenergie durch Mehrfachreflexion an den Grenzflächen zerstreut und in die Umgebung abgelei­ tet. Hierdurch wird die Amplitude des Störsignals er­ heblich reduziert. Man erhält ein außerordentlich gutes Signal-Geräusch-Verhältnis. Da die Grenzflächen in al­ ler Regel temperaturunabhängig sind, sind die Schall­ ableitkörper über einen breiten Temperaturbereich von -200° bis +250°C verwendbar. Die Schallenergie wird über die Lötstellen hinweggeleitet und über den ganzen Schallableitkörper verteilt.

Günstig ist es, daß die Länge und Breite der überwie­ genden Zahl der Grenzflächen mindestens gleich einem Zehntel der Wellenlänge des Ultraschallsignals ist. Dies ergibt ausreichend große Grenzflächen für die ge­ wünschte Schallreflexion.

Mit besonderem Vorteil hat der Schallableitkörper die Form einer einen Meßrohrabschnitt umschließenden Hülse. Auf diese Weise wirkt die Ableitfunktion über den ge­ samten Umfang des Meßrohrs.

Besonders günstig ist es, daß die Metallstücke auch mit dem Meßrohr verlötet sind. Wenn Meßrohr und Schallab­ leitkörper bezüglich der Schalleitung eine Einheit dar­ stellen, ergibt sich eine große innere Oberfläche, über die Schallenergie gestreut oder an der Schallschwingun­ gen reflektiert werden können.

Insbesondere können die Metallstücke scharfkantig sein. Beispielsweise kann der Abfall aus anderen Metallpro­ duktionen verwendet werden, zum Beispiel aus der Nadel­ produktion.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Metallstücke in unregelmäßiger Lage angeordnete Kugeln.

Sehr günstig ist es, daß der Schallableitkörper Hohl­ räume aufweist, die auch mit einem schallabsorbierenden Material, wie Silikonkautschuk, gefüllt sein können. Hierdurch ergibt sich im Anschluß an die Streuungswir­ kung eine dämpfende Wirkung.

Besonders günstig ist es, daß der Schallableitkörper Stahlteile aufweist, die mit Hilfe beigefügter Kupfer­ teile unter Vakuum miteinander verlötet sind. Stahl und Kupfer haben etwa die gleichen Schalleigenschaften. Man erreicht deshalb einen guten Schallübergang mit fast vollständiger Schalltransmission und sehr kleiner Re­ flexion im Bereich der Lötstellen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß die Meßstrecke schräg zur Meßrohrachse ver­ läuft und die Ultraschall-Wandlerelemente jeweils an einer als Ultraschallfenster ausgebildeten Wand anlie­ gen und durch diese vom Durchflußkanal getrennt sind. Durch die Verwendung des Ultraschallfensters kann das Ultraschall-Wandlerelement außerhalb des Durchflußka­ nals angeordnet werden. Trotzdem wird nur ein sehr kleiner Teil der Ultraschallenergie in die Meßrohrwand eingekoppelt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dafür ge­ sorgt, daß der den Schallableitkörper tragende Meß­ rohrabschnitt eine geringere Wandstärke hat als das übrige Meßrohr. Je geringer die Wandstärke ist, umso mehr tritt die sekundäre Ultraschallenergie in den Schallableitkörper über. Tatsächlich kann mit sehr ge­ ringen Wandstärken gearbeitet werden, weil dem Schall­ ableitkörper eine die dünne Wand abstützende Steifig­ keit gegeben werden kann.

Es empfiehlt sich auch, daß das Meßrohr aus einem den Schallableitkörper tragenden Mittelabschnitt und zwei Endabschnitten besteht, die miteinander verbunden sind. Durch diese Unterteilung lassen sich die einzelnen Meß­ rohrabschnitte ihren Aufgaben entsprechend gut anpas­ sen.

Dies gilt insbesondere für den Mittelabschnitt, der aus einem zylindrischen Rohrabschnitt bestehen kann, an dem der separat vorgefertigte Schallableitkörper angebracht ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflußmeßgerät,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Schallableitkörper und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungs­ form eines Schallableitkörpers.

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 einem hülsenförmigen Schallab­ leitkörper 7, der ein Ultraschallenergie aufnehmendes und streuendes Material aufweist, umschlossen. Er hat hier die Form einer Hülse. 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 in der Form einer Scheibe aus piezoelektrischer Keramik, das 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 15 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 bilden außer­ halb 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 15.

Der in Fig. 2 gezeigte Schallableitkörper 107 besteht im wesentlichen aus scharfkantigen Metallstücken 126 aus Stahl in wirrer Lage, die miteinander verlötet sind. Weil die Lötung unter Verwendung von Kupferteilen im Vakuum, aber mit Kupferunterschuß erfolgte, verblei­ ben Hohlräume 127. Diese können mit Silikonkautschuk gefüllt sein. Die die Hohlräume 127 begrenzenden Flä­ chen der Metallstücke 126 bilden schallreflektierende Grenzflächen 128, mit deren Hilfe ein Großteil der Störschallenergie in der Meßrohrwand nach außen abge­ leitet und damit zerstreut wird.

Der Innendurchmesser des hülsenförmigen Schallableit­ körpers 107 liegt dicht am Außendurchmesser des rohr­ förmigen Mittelabschnitts 4 an, dessen Wandstärke sehr gering ist und beispielsweise nur 3 mm beträgt, und ist mit diesem verlötet. Um dem Schallableitkörper 107 die richtige Form zu geben, kann man einen Zylinder mit einem ringförmigen Boden vorfertigen, über den Mittel­ abschnitt schieben und den so gebildeten Innenraum mit den Metallstücken, einem Gemisch aus Stahlteilen und Kupferteilen, füllen sowie anschließend die Lötung vor­ nehmen. Schließlich wird der Mittelabschnitt 4 mit den beiden Endabschnitten 2 und 3 an den Stoßstellen 5 bis 6 verschweißt.

Der in Fig. 3 gezeigte Schallableitkörper 207 unter­ scheidet sich von demjenigen der Fig. 2 lediglich da­ durch, daß die miteinander verlöteten Metallstücke 226 als Kugeln unterschiedlicher Größe ausgebildet sind, die wiederum Hohlräume 227 begrenzen, aber kugelförmige Grenzflächen 228 besitzen.

Wenn sendeseitig das Wandlerelement 15 ein Ultraschall­ signal erzeugt, wird in der zugehörigen Schallfenster­ wand 16 sekundäre Ultraschallenergie abgezweigt. Sie wird auf ihrem Weg zur empfangsseitigen Schalldämpfer­ wand 16 durch den Mittelabschnitt 4 geleitet. Dort nimmt der Schallableitkörper 7 einen wesentlichen Teil der sekundären Ultraschallenergie auf, so daß diese nicht zur empfangsseitigen Schallfensterwand 16 gelan­ gen und das Meßsignal verfälschen kann.

Von der veranschaulichten Konstruktion kann in vielfa­ cher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Meßrohrteile auch miteinander verlötet oder durch Schrauben verbunden werden. Der Schallableitkörper eig­ net sich auch für solche Meßrohre, bei denen die Schallfensterwand in einem eingeschweißten Bauteil un­ tergebracht ist.

Claims (13)

1. Ultraschall-Durchflußmeßgerät mit einem Meßrohr, durch das eine Meßstrecke verläuft, die im Bereich ihrer Enden je ein Ultraschall-Wandlerelement auf­ weist, wobei das Meßrohr an seiner Außenseite mit einem Schallableitkörper zur Verminderung von Stör­ signalen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallableitkörper (7; 107; 207) in seinem In­ neren eine große Zahl von schallreflektierenden Grenzflächen (128; 228) in Zufallsverteilung auf­ weist, indem er im wesentlichen aus zusammengelöte­ ten Metallstücken (126; 226) besteht.

2. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge und Breite der überwiegen­ den Zahl der Grenzflächen (128; 228) mindestens gleich einem Zehntel der Wellenlänge des Ultraschallsignals ist.

3. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallableitkörper (7) die Form einer einen Meßrohrabschnitt (4) umschließen­ den Hülse hat.

4. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstücke (126; 226) auch mit dem Meßrohr verlötet sind.

5. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstücke (126) scharfkantig sind.

6. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstücke (226) in unregelmäßiger Lage angeordnete Kugeln sind.

7. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallableitkörper (107; 207) Hohlräume (127; 227) aufweist.

8. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hohlräume (127; 227) mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt sind.

9. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallableitkörper (107; 207) Stahlteile aufweist, die mit Hilfe bei­ gefügter Kupferteile unter Vakuum miteinander ver­ lötet sind.

10. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (12) schräg zur Meßrohrachse (11) verläuft und die Ul­ traschall-Wandlerelemente (13) jeweils an einer als Ultraschallfenster ausgebildeten Wand (16) anliegen und durch diese vom Durchflußkanal (10) getrennt sind.

11. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schallab­ leitkörper (7) tragende Meßrohrabschnitt (4) eine geringere Wandstärke hat als das übrige Meßrohr.

12. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) aus einem den Schallableitkörper (7) tragenden Mittel­ abschnitt (4) und zwei Endabschnitten (2, 3) be­ steht, die miteinander verbunden sind.

13. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelabschnitt (4) aus einem zylindrischen Rohrabschnitt besteht, an dem der separat vorgefertigte Schallableitkörper (7) ange­ bracht ist.