EP1842036A2 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des volumen- und/ oder massendurchflusses - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des volumen- und/ oder massendurchflusses

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Publication number
EP1842036A2
EP1842036A2 EP05819249A EP05819249A EP1842036A2 EP 1842036 A2 EP1842036 A2 EP 1842036A2 EP 05819249 A EP05819249 A EP 05819249A EP 05819249 A EP05819249 A EP 05819249A EP 1842036 A2 EP1842036 A2 EP 1842036A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
ultrasonic
ultrasonic sensors
opening
sensor bar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05819249A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
Patrick Oudoire
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1842036A2 publication Critical patent/EP1842036A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring the volume and / or mass flow of a measuring medium, which flows through a measuring tube having a predetermined inner diameter in a flow direction, with a plurality of ultrasonic sensors, which emit the ultrasonic measuring signals along different defined measuring paths and / or receive, and with a control / evaluation unit, which determines the volume and / or mass flow of the measured medium in the pipe / in the measuring tube based on the ultrasonic measurement signals according to a Schallmitdgingmaschineclar or according to the echo principle.
  • the flow profile is tapped by ultrasound sensors arranged side by side. If the nominal diameter of the ultrasound flowmeter is relatively small, then it is only possible with great effort to position the ultrasonic sensors next to one another and transversely to the flow direction of the measuring medium through the measuring tube. The reason is in particular that both for acoustic and technical reasons, the diameter of the ultrasonic sensors has a minimum size, which should not be exceeded. As a result, the distance of the ultrasonic sensors from each other is set to a lower limit. Under certain circumstances, therefore, a desired distribution of the ultrasonic sensors or the corresponding measuring paths of the ultrasonic flowmeter is not achievable.
  • the invention has for its object to provide an ultrasonic flowmeter, which is characterized by a small track pitch of the individual measuring paths.
  • the object is achieved in that at least two ultrasonic sensors, which emit and / or receive ultrasonic measuring signals on different measuring paths, are positioned in an opening which is arranged in the tube wall of the measuring tube.
  • the positioned in an opening of the tube wall of the measuring tube ultrasonic sensors are formed as an integrated component. This is dimensioned such that it can be positioned in the opening.
  • the component is a sensor bar on which the ultrasonic sensors are positioned in series;
  • the corresponding opening is a slot corresponding to the sensor bar.
  • the idea is therefore to integrate the ultrasonic sensors of the individual measuring paths in one component. This is achieved for example by said sensor bar on which the transmitter / receiver are built side by side. This means that the piezoceramic ultrasonic transducers are combined to form an integrated part, wherein the desired track spacing z. B. is achieved by a corresponding partial coating of the ceramic.
  • the inlet holes of the ultrasonic measuring signals in the measuring medium can also be summarized, which leads to said slot in the measuring tube in the example mentioned.
  • the sensor bar is positioned in the opening, that the ultrasonic sensors are arranged side by side perpendicular to the flow direction of the measuring medium.
  • the sensor bar consists of a housing part with a base surface and the shape of the base surface corresponding side surfaces and that the ultrasonic sensors are arranged on the base surface of the housing.
  • the ultrasonic sensors comprise a piezoceramic material which is divided into different active zones by interruptions of the conductive layer;
  • the piezoceramic material is applied in the form of a continuous or interrupted layer on the base surface of the housing.
  • the ultrasonic sensors of a sensor bar are acoustically and mechanically decoupled from each other.
  • the sensor bar consists of several housing components, that at least one ultrasonic sensor is arranged on the base of each housing component, and that the individual housing components connected to each other.
  • the individual housing components are welded together.
  • the ultrasound sound sensors of a sensor bar offset in height are arranged to each other in such a way that they are aligned in the assembled case substantially tangential to the inner wall of the measuring tube.
  • An alternative embodiment of the device according to the invention also provides that it is at the opening in the pipe wall is a bore and that a plurality of ultrasonic sensors are combined in an insertable into the bore component.
  • the integrated component thus has a substantially round diameter. It goes without saying that the shape of the integrated component, in which at least two ultrasonic sensors are combined, can be configured as desired.
  • the opening in the wall of the measuring tube is then to be designed according to the shape of the integrated component.
  • 1a is an external perspective view of a first embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the invention
  • FIG. 1b shows an external perspective view of a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the invention
  • FIG. 2a shows an interior perspective view of a section through the embodiment shown in Fig. Ia
  • FIG. 2b shows an interior perspective view of a section through the embodiment shown in Fig. Ib
  • FIG. 3a shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a first embodiment of a sensor bar according to the invention
  • FIG. 3b shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a second embodiment of a sensor bar according to the invention
  • FIG. 3a various views and sections of the sensor bar shown in FIG. 3a:
  • FIG. 3b shows different views and sections of the sensor bar shown in FIG. 3b:
  • FIG. 6a shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a third embodiment of a sensor bar according to the invention
  • FIG. 6b shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a fourth embodiment of a sensor bar according to the invention
  • FIG. 7 shows different views and sections of the sensor bar shown in FIG. 6a: FIG.
  • FIG. 8 different views and sections of the sensor bar shown in FIG. 6b: FIG.
  • FIG. 9 shows a cutaway perspective view of a flow meter with two sensor bars in the upper area and two sensor bars in the lower area of the measuring tube.
  • FIG. 1a shows an external perspective view of a first embodiment of the measuring tube 1 according to the invention for an ultrasonic flow measuring device.
  • FIG. 1 b shows an external perspective view of a second embodiment of the measuring tube 1 according to the invention for an ultrasonic flowmeter.
  • FIGS. 2 a and 2 b show the corresponding perspective interior views of the embodiments shown in FIGS. 1 a and 1 b.
  • Both types of measuring tubes 1 are designed as flow meters, which operate on the transit time differential principle and each have an opening formed as a slot 17 opening in the upper region and the lower portion of the measuring tube 1.
  • the slots 17 and the corresponding installation geometries 8; 10 are configured and arranged so that several on a sensor bar 2; 12, 13, 14 arranged ultrasonic sensors 22 can be positioned in each of the elongated holes 17.
  • the embodiment shown in FIG. 1 a has a built-in geometry 10 in the form of a slot 17.
  • the externally visible shape of the installation geometry 10 or elongated hole 17 shown in FIG. 1 b is substantially rectangular in shape with rounded corners.
  • FIG. 3a shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter.
  • Two embodiments of sensor bars 2, 14 are shown simultaneously in FIGS. 3a and 3b:
  • the embodiment of the sensor bar 2 according to the invention shown in FIG. 3a is described in detail in FIGS. 4a-4d in different views and sections; the embodiment of the sensor bar 14 shown in FIG. 3b can be seen in detail in FIGS. 5a and 5b.
  • Fig. 4a is a plan view of the sensor bar 2 of Fig. 3a is shown. Based on the longitudinal section shown in Fig. 4b according to the marking A-A in Fig. 4a, the structure of the sensor bar 2 can be clearly seen.
  • the sensor bar 2 is to be emphasized as a preferred embodiment, since it can be produced by a coating method. The production costs are therefore relatively low.
  • the sensor bar 2 can be made by deep-drawing a suitable material.
  • An essential component of an ultrasonic transducer is a piezoceramic Layer 3, which is excited by current or voltage signals for the transmission of ultrasonic measurement signals. Analog received received ultra-sound measurement signals from the piezoceramic layer 3 of an ultrasonic transducer into electrical signals.
  • the piezoceramic continuous layer 3 shown in FIG. 4b can be relatively easily applied to the base surface 20 of the housing 19 via a coating process.
  • the piezoceramic layer 3 is on the surface facing away from the base 20 in the ultrasonic transducer 22 partially provided with a conductive coating 4.
  • a mechanical and acoustic decoupling of the ultrasound transducers 22 arranged next to one another is achieved via the webs 5 on the outer surface of the housing 19 remote from the base surface 20 and via the subregions of the electrical coating 4 interrupted by recesses 6. It is understood that the piezoceramic components 7 can also be applied by pressing on the base surface 20 of the housing 19. Corresponding methods are known from the prior art.
  • FIGS. 5a and 5b show a plan view of the sensor bar 14 shown in FIG. 3b and a longitudinal section through the sensor bar 14 according to the marking A-A in FIG. 5a.
  • the sensor bar 14 is not made as in the previous example of a
  • the ultrasonic transducers 22 and the piezoceramics 11 thus each sit in individual housing pots or sensor pockets 18, wherein the housing pots or the sensor pockets at least partially have a different height or depth.
  • the height or the depth is in each case dimensioned such that the individual ultrasonic transducers 22 or the piezoceramics 11 after the mounting of the sensor beam 14 on the measuring tube 1 are adapted substantially tangentially to the inner diameter of the measuring tube 1.
  • the sensor bar 14 can be optimally adapted to a measuring tube 1 with a predetermined inner diameter.
  • the tangential alignment of the exit surfaces of the ultrasonic transducers 22 to the inner surface of the measuring tube 1 is both mess- and fluidically advantageous.
  • the individual housing components 18 are in the region of the base surface 20 opposite upper edges each welded via a weld 15 with each other.
  • the sensor bar 14 can also be manufactured from a part by a corresponding removing or cutting machining. It goes without saying that even in this optimized embodiment of the sensor beam 14 the individual ultrasonic transducers 22 are mechanically and acoustically decoupled from each other.
  • the sensor bar 2 shown in FIG. 4 is designed so that it can be inserted into the opening 10 shown in FIGS. 1b and 2b.
  • the sensor bar 14 shown in FIG. 5 is suitable for the opening 17 shown in FIGS. 2 a and 2b.
  • the sensor bars 2, 14 can be fastened in the opening 17 via hold-downs or by means of screws.
  • all known sealing methods can be used.
  • the seal is e.g. achieved via a weld 15, via an O-ring seal or via a gasket.
  • FIG. 6a shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a third embodiment of a sensor bar 12 according to the invention
  • 6b shows a longitudinal section through an ultrasonic flowmeter with a fourth embodiment of a sensor bar 13 according to the invention.
  • FIGS. 7a, 7b, 8a and 8b clearly show further embodiments of the sensor bars 12, 13 , so that can be dispensed with a detailed description.
  • FIG. 9 shows a cutaway perspective view of a flowmeter with two sensor bars 2 in the upper area and two sensor bars 2 in the lower area of the measuring tube 1.
  • This embodiment with multiple sensor bars 2 can be used in particular in flow meters with large nominal widths.
  • the replacement of individually placed ultrasonic sensors 22 by the sensor bar 12, 13, 14 according to the invention is the reduction of the parts and their diversity while increasing the number of measurement paths.
  • the inventive solution makes it much easier to manufacture an ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 10 Installation geometry of the ultrasonic sensor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Über-wachung des Volumen- und/ oder Massedurchflusses eines Messmediums (9), das ein Messrohr (1) mit einem vorgegebenen Innendurchmesser in einer Strömungsrichtung durchfließt, mit mehreren Ultraschallsensoren (22), die die Ultraschall-Messsignale entlang unterschiedlicher definierter Messpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (23), die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums (9) in der Rohrleitung / in dem Messrohr (1) anhand der Ultraschall-Messsignale nach einem Schallmitnahmeverfahren oder nach dem Echo-Prinzip ermittelt. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei Ultraschallsensoren (22), die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Messpfaden aussenden und/oder empfangen, in einer Öffnung (10) positioniert, die in der Rohrwand des Messrohres (1) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder Massendurchflusses
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Über-wachung des Volumen- und/ oder Massedurchflusses eines Messmediums, das ein Messrohr mit einem vorgegebenen Innendurchmesser in einer Strömungsrichtung durchfließt, mit mehreren Ultraschallsensoren, die die Ultraschall-Messsignale entlang unterschiedlicher definierter Messpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums in der Rohrleitung / in dem Messrohr anhand der Ultraschall- Messsignale nach einem Schallmitnahmeverfahren oder nach dem Echo-Prinzip ermittelt.
Bei Inline-Durchflussmesssystemen wird das Strömungsprofil durch nebeneinander angeordnete Ultraschallsensoren abgegriffen. Ist die Nennweite des Ul- traschall-Durchflussmessgeräts relativ gering, so ist es nur noch mit großem Aufwand möglich, die Ultraschallsensoren nebeneinander und quer zur Strömungsrichtung des Messmediums durch das Messrohr zu positionieren. Der Grund ist insbesondere darin zu sehen, dass sowohl aus akustischen als auch aus technischen Gründen der Durchmesser der Ultraschallsensoren eine minimale Größe hat, die nicht unterschritten werden sollte. Folglich ist dem Abstand der Ultraschallsensoren untereinander eine untere Grenze gesetzt. Unter Umständen ist daher eine gewünschte Verteilung der Ultraschallsensoren bzw. der entsprechenden der Messpfade des Ultraschall- Durchflussmessgeräts nicht erreichbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Durchfluss-messgerät vorzuschlagen, das sich durch einen geringen Spurabstand der einzelnen Messpfade auszeichnet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest zwei Ultraschallsensoren, die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Messpfaden aussenden und/oder empfangen, in einer Öffnung positioniert sind, die in der Rohrwand des Messrohres angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Sensor-System ermöglicht es, auf einfache Weise die gewünschte Anzahl der Messpfade zu erhöhen und somit kleinere Spurab-stände zwischen den Messpfaden zu erreichen, wodurch sich die Mess-genauigkeit des Ul- traschall-Durchflussmessgeräts verbessern lässt. Darüber hinaus wird die Anzahl und Vielfalt der Einzelkomponenten stark reduziert, was die Herstellung des Durchfluss- messgeräts enorm vereinfacht. [0006] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die in einer Öffnung der Rohrwand des Messrohres positionierten Ultraschallsensoren als integriertes Bauteil ausgebildet. Dieses ist derart dimensioniert, dass es in der Öffnung positionierbar ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Bauteil um einen Sensorbalken, auf dem die Ultraschall-sensoren in Reihe positioniert sind; bei der korrespondierenden Öffnung handelt es sich um ein zu dem Sensorbalken korrespondierendes Langloch.
[0007] Die Idee besteht also darin, die Ultraschallsensoren der einzelnen Messpfade in einem Bauteil zu integrieren. Das wird beispielsweise durch besagten Sensorbalken erreicht, auf dem die Sender/ Empfänger nebeneinander aufgebaut sind. Das bedeutet, dass die piezokeramischen Ultraschallwandler zu einem integrierten Teil zusam- mengefasst werden, wobei der gewünschte Spurabstand z. B. durch eine entsprechende partielle Beschichtung der Keramik erreicht wird. Zum Einbau der nun z.B. länglichen Sensoren können die Eintrittslöcher der Ultraschall-Messsignale ins Messmedium ebenfalls zusammengefasst werden, was im genannten Beispiel zu dem besagten Langloch im Messrohr führt.
[0008] Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ist insbesondere vorgesehen, dass der Sensorbalken so in der Öffnung positioniert ist, dass die Ultraschall-sensoren nebeneinander senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums angeordnet sind. Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der Sensorbalken aus einem Gehäuseteil mit einer Grundfläche und der Form der Grundfläche entsprechenden Seitenflächen besteht und dass die Ultraschallsensoren an der Grundfläche des Gehäuses angeordnet sind.
[0009] Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung vor, dass die Ultraschallsensoren ein piezokeramisches Material aufweisen, welches in verschiedene aktive Zonen durch Unterbrechungen der leitenden Schicht eingeteilt ist; alternativ ist vorgesehen, dass das piezokeramische Material in Form einer durchgehenden oder unterbrochenen Schicht auf die Grundfläche des Gehäuses aufgebracht ist.
[0010] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Ultraschallsensoren eines Sensorbalkens akustisch und mechanisch voneinander entkoppelt sind.
[0011] Um die saubere Entkopplung der einzelnen Ultraschallsensoren voneinander zu erreichen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Sensorbalken aus mehreren Gehäusekomponenten besteht, dass an der Grundfläche einer jeden Gehäusekomponente zumindest ein Ultraschallsensor angeordnet ist, und dass die einzelnen Gehäusekomponenten miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind die einzelnen Gehäusekomponenten miteinander verschweißt.
[0012] Insbesondere bei Messrohren mit großen Nennweiten ist vorgesehen, dass die Ultra- schallsensoren eines Sensorbalkens in der Höhe versetzt zueinander angeordnet sind und zwar so, dass sie im montierten Fall im wesentlichen tangential zur Innenwand des Messrohres ausgerichtet sind.
[0013] Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht darüber hinaus vor, dass es sich bei der Öffnung in der Rohrwand um eine Bohrung handelt und dass mehreren Ultraschallsensoren in einem in die Bohrung einbringbaren Bauteil zusammengefasst sind. Das integrierte Bauteil hat somit einen im wesentlichen runden Durchmesser. Es versteht sich von selbst, dass die Form des integrierten Bauteils, in dem zumindest zwei Ultraschallsensoren zusammengefasst sind, beliebig ausgestaltet sein kann. Die Öffnung in der Wand des Messrohres ist dann entsprechend der Form des integrierten Bauteils auszugestalten.
[0014] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
[0015] Fig. Ia: eine perspektivische Außenansicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
[0016] Fig. Ib: eine perspektivische Außenansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
[0017] Fig. 2a: eine perspektivische Innenansicht eines Schnitts durch die in Fig. Ia gezeigte Ausgestaltung,
[0018] Fig. 2b: eine perspektivische Innenansicht eines Schnitts durch die in Fig. Ib gezeigte Ausgestaltung,
[0019] Fig. 3a: einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens,
[0020] Fig. 3b: einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens,
[0021] Fig. 4: verschiedene Ansichten und Schnitte des in Fig. 3a gezeigten Sensorbalkens:
[0022] a) eine Draufsicht auf den Sensorbalken,
[0023] b) einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 4a,
[0024] c) eine Seitenansicht des Sensorbalkens,
[0025] d) den in Fig. 4b mit X markierten Ausschnitt in Vergrößerung,
[0026] Fig. 5: verschiedene Ansichten und Schnitte des in Fig. 3b gezeigten Sensorbalkens:
[0027] a) eine Draufsicht auf den Sensorbalken,
[0028] b) einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 5a,
[0029] Fig. 6a: einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens,
[0030] Fig. 6b: einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens,
[0031] Fig. 7: verschiedene Ansichten und Schnitte des in Fig. 6a gezeigten Sensorbalkens:
[0032] a) eine Draufsicht auf den Sensorbalken, [0033] b) einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 7a,
[0034] Fig. 8: verschiedene Ansichten und Schnitte des in Fig. 6b gezeigten Sensorbalkens:
[0035] a) eine Draufsicht auf den Sensorbalken,
[0036] b) einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 8a,
[0037] Fig. 9: eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Durchflussmess-geräts mit zwei Sensorbalken im oberen Bereich und zwei Sensorbalken im unteren Bereich des Messrohres.
[0038] Fig. Ia zeigt eine perspektivische Außenansicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres 1 für ein Ultraschall-Durchflussmess-gerät. In Fig. Ib ist eine perspektivische Außenansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres 1 für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät dargestellt. Die Figuren Fig. 2a und Fig. 2b zeigen die entsprechenden perspektivischen Innenansichten der in den Figuren Fig. Ia und Fig. Ib gezeigten Ausgestaltungen.
[0039] Beide Typen von Messrohren 1 sind als Durchflussmessgeräte ausgestaltet, die nach dem Laufzeitdifferenzprinzip arbeiten und besitzen jeweils eine als Langloch 17 ausgebildete Öffnung im oberen Bereich und im unteren Bereich des Messrohres 1. Die Langlöcher 17 und die entsprechenden Einbau-geometrien 8; 10 sind so ausgestaltet und angeordnet, dass mehrere auf einem Sensorbalken 2; 12, 13, 14 angeordnete Ultraschallsensoren 22 in jeder der Langlöcher 17 positioniert werden können. Wie bereits gesagt, hat die in Fig. Ia gezeigte Ausführungsform eine Einbaugeometrie 10 in Form eines Langlochs 17. Die in Fig. Ib gezeigte nach außen sichtbare Form der Einbaugeometrie 10 bzw. des Langlochs 17 ist im wesentlichen rechteck-förmig mit abgerundeten Ecken.
[0040] Fig. 3a zeigt einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät. Zwei Ausführungsformen von Sensorbalken 2, 14 sind in den Figuren Fig. 3a und Fig. 3b gleichzeitig dargestellt: Die in Fig. 3a gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorbalkens 2 wird in den Figuren Fig. 4a-4d in unterschiedlichen Ansichten und Schnitten ausführlich beschrieben; die in Fig. 3b gezeigte Ausgestaltung des Sensorbalkens 14 ist im Detail in den Figuren Fig. 5a und Fig. 5b zu sehen.
[0041] In Fig. 4a ist eine Draufsicht auf den Sensorbalken 2 aus Fig. 3a dargestellt. Anhand des in Fig. 4b dargestellten Längsschnitts gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 4a ist der Aufbau des Sensorbalkens 2 deutlich zu erkennen. Der Sensorbalken 2 ist als bevorzugte Ausgestaltung hervorzuheben, da er über ein Beschichtungsverfahren hergestellt werden kann. Die Herstellungskosten sind daher relativ gering. Alternativ lässt sich der Sensorbalken 2 durch Tiefziehen eines geeigneten Materials herstellen.
[0042] Wesentliche Komponente eines Ultraschallwandlers ist eine piezokeramische Schicht 3, die über Strom- oder Spannungssignale zur Aussendung von Ultraschall- Messsignalen angeregt wird. Analog werden empfangene Ultra-schall-Messsignale von der piezokeramischen Schicht 3 eines Ultraschall-wandlers in elektrische Signale umgewandelt.
[0043] Die in Fig. 4b dargestellte piezokeramische durchgehende Schicht 3 lässt sich über ein Beschichtungsverfahren relativ einfach auf die Grundfläche 20 des Gehäuses 19 aufbringen. Die piezokeramische Schicht 3 wird auf der von der Grundfläche 20 abgewandten Oberfläche im Bereich der Ultraschall wandler 22 partiell mit einer leitfähigen Beschichtung 4 versehen. Über die Stege 5 auf der der Grundfläche 20 abgewandten Außenseite des Gehäuses 19 und über die durch Aussparungen 6 unterbrochenen Teilbereiche der elektrischen Beschichtung 4 wird eine mechanische und akustische Entkopplung der nebeneinander angeordneten Ultraschallwandler 22 erreicht. Es versteht sich, dass die piezokeramischen Komponenten 7 auch durch ein Anpressen auf die Grundfläche 20 des Gehäuses 19 aufgebracht werden können. Entsprechende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
[0044] In den Figuren Fig. 5a und Fig. 5b sind eine Draufsicht auf den in Fig. 3b gezeigten Sensorbalken 14 und ein Längsschnitt durch den Sensorbalken 14 gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 5a zu sehen.
[0045] Der Sensorbalken 14 besteht nicht wie im vorhergehenden Beispiel aus einem
Gehäuse 19 mit einer durchgehenden Grundfläche 20 und Seitenflächen 21, sondern er ist aus mehreren teilweise unterschiedlich ausgestalteten Gehäusekomponenten 18 aufgebaut, wobei an der Grundfläche 20 einer jeden Gehäusekomponente 18 jeweils ein Ultraschall wandler 22 bzw. ein Piezokeramik 11 mit runder Oberflächenform untergebracht ist. Die Ultraschallwandler 22 bzw. die Piezokeramiken 11 sitzen also jeweils in einzelnen Gehäusetöpfen bzw. Sensortaschen 18, wobei die Gehäusetöpfe bzw. die Sensortaschen zumindest teilweise eine unterschiedliche Höhe bzw. Tiefe aufweisen. Die Höhe bzw. die Tiefe ist jeweils so bemessen, dass die einzelnen Ultraschallwandler 22 bzw. die Piezokeramiken 11 nach der Montage des Sensorbalkens 14 an dem Messrohr 1 im wesentlichen tangential an den Innendurchmesser des Messrohres 1 angepasst sind. Hierdurch lässt sich der Sensorbalken 14 optimal an ein Messrohr 1 mit vorgegebenem Innendurchmesser anpassen. Die tangentiale Ausrichtung der Austrittsflächen der Ultraschallwandler 22 zu der Innenfläche des Messrohres 1 ist sowohl mess- als auch strömungstechnisch von Vorteil.
[0046] Die einzelnen Gehäusekomponenten 18 sind im Bereich ihrer der Grund-fläche 20 entgegengesetzten Oberkanten jeweils über eine Schweißnaht 15 miteinander verschweißt. Alternativ kann der Sensorbalken 14 auch aus einem Teil durch eine entsprechende abtragende oder spanabhebende Bearbeitung gefertigt werden. Es versteht sich von selbst, dass auch bei dieser optimierten Ausgestaltung des Sensorbalkens 14 die einzelnen Ultraschallwandler 22 mechanisch und akustisch voneinander entkoppelt sind.
[0047] Der in der Fig. 4 dargestellte Sensorbalken 2 ist so ausgestaltet, dass er in die in den Figuren Fig. Ib und Fig. 2b gezeigte Öffnung 10 eingefügt werden kann. Der in Fig. 5 gezeigte Sensorbalken 14 ist passend für die in den Figuren Fig. 2a und Fig. 2b gezeigte Öffnung 17. Die Sensorbalken 2, 14 können über Niederhalter oder mittels Schrauben in den Öffnung 17 befestigt werden. Verwendbar sind darüber hinaus alle bekannten Dichtungsmethoden. Die Abdichtung wird z.B. über eine Schweißnaht 15, über eine O-ring-Dichtung oder über eine Rachdichtung erreicht.
[0048] In Fig. 6a ist ein Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens 12 gezeigt; Fig. 6b zeigt einen Längsschnitt durch ein Ultraschall-Durchfluss-messgerät mit einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorbalkens 13. Aus den Figuren Fig. 7a, Fig. 7b, Fig. 8a und Fig. 8b sind weitere Ausgestaltungen der Sensorbalken 12, 13 klar ersichtlich, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
[0049] In Fig. 9 ist eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Durchfluss- messgeräts mit zwei Sensorbalken 2 im oberen Bereich und zwei Sensor-balken 2 im unteren Bereich des Messrohres 1 zu sehen. Diese Ausführungs-form mit mehreren Sensorbalken 2 ist insbesondere bei Durchflussmess-geräten mit großen Nennweiten einsetzbar. Vorteilhaft an dem Ersetzen einzeln plazierter Ultraschallsensoren 22 durch den erfindungsgemäßen Sensorbalken 12, 13, 14 ist die Reduktion der Teile und deren Vielfalt bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Messpfade. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Herstellung eines Ultraschall-Durchfluss-messgeräts erheblich vereinfachen.
[0050] Bezugszeichenliste
[0051] 1 Messrohr
[0052] 2 Sensorbalken
[0053] 3 Piezokeramik mit rechteckiger Oberflächenform
[0054] 4 elektrisch leitfähige Beschichtung
[0055] 5 Steg
[0056] 6 Aussparung
[0057] 7 partielle piezokeramische Beschichtung
[0058] 8 aussendende Einbaugeometrie des Sensorbalkens
[0059] 9 Messmedium
[0060] 10 Einbaugeometrie des Ultraschallsensors
[0061] 11 Piezokeramik mit runder Oberflächenform
[0062] 12 Sensorbalken
[0063] 13 Sensorbalken [0064] 14 Sensorbalken
[0065] 15 Schweißnaht
[0066] 16 Hohlraum
[0067] 17 Öffnung / Langloch / Bohrung
[0068] 18 Gehäusekomponente / Sensortopf / Tasche
[0069] 19 Gehäuse
[0070] 20 Grundfläche
[0071] 21 Seitenfläche
[0072] 22 Ultraschallwandler / Ultraschallsensor
[0073] 23 Regel-/Auswerteeinheit
[0074] 24 Bohrung
[0075] 25 integriertes Bauteil

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/ oder
Massedurchflusses eines Messmediums (9), das ein Messrohr (1) mit einem vorgegebenen Innendurchmesser in einer Strömungsrichtung durch-fließt, mit mehreren Ultraschallsensoren (22), die die Ultraschall-Messsignale entlang unterschiedlicher definierter Messpfade aussenden und/oder empfangen, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (23), die den Volumen- und/oder den Masse- durchfluss des Messmediums (9) in der Rohrleitung / in dem Messrohr (1) anhand der Ultraschall-Messsignale nach einem Schallmitnahmeverfahren oder nach dem Echo-Prinzip ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Ultraschallsensoren (22), die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Messpfaden aussenden und/oder empfangen, in einer Öffnung (17) positioniert sind, die in der Rohrwand des Messrohres (1) angeordnet ist.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer
Öffnung (17) der Rohrwand des Messrohres (1) positionierten Ultraschallsensoren (22) als integriertes Bauteil (2, 12, 13, 14) ausgebildet sind, das so dimensioniert ist, dass es in der Öffnung (17) positionierbar ist.
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Bauteil um einen Sensorbalken (2, 12, 13, 14) handelt, auf dem die Ultraschallsensoren (22) in Reihe positioniert sind und dass es sich bei der Öffnung (17) um ein zu dem Sensorbalken (2, 12, 13, 14) korrespondierendes Langloch (17) handelt.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbalken so in der Öffnung positioniert ist, dass die Ultraschallsensoren nebeneinander senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums angeordnet sind.
[0005] 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbalken (2, 12, 13, 14) aus einem Gehäuseteil (19) mit einer Grundfläche (20) und der Form der Grundfläche (20) entsprechenden Seitenflächen (21) besteht und dass die Ultraschallsensoren (3, 11) an der Grundfläche (20) des Gehäuses (19) angeordnet sind.
[0006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ultraschallsensoren ein piezokeramisches Material (3, 11) und eine elektrisch leitfähige Schicht (4) aufweisen, wobei die piezokeramische Schicht (3, 11) in verschiedene aktive Zonen durch Aussparungen (6) in der leit-fähigen Schicht (4) eingeteilt ist und / oder dass das piezokeramische Material (3, 11) in Form einer durchgehenden oder unterbrochenen Schicht (4; 7) auf die Grundfläche (20) des Gehäuses (19) aufgebracht ist.
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ultraschallsensoren (22) eines Sensorbalkens (2, 12, 13, 14) akustisch und mechanisch voneinander entkoppelt sind.
[0008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbalken (2, 12, 13, 14) aus mehreren Gehäusekomponenten (18) besteht, dass an der Grundfläche (20) einer jeden Gehäusekomponente (18) zumindest ein Ultraschallsensor (3; 11) angeordnet ist, und dass die einzelnen Gehäusekomponenten (18) miteinander verbunden sind.
[0009] 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7 oder nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoren (22) eines Sensorbalkens (2, 12, 13, 14) so angeordnet sind, dass sie im montierten Fall im wesentlichen tangential zur Innenwand des Messrohres (1) ausgerichtet sind.
[0010] 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Öffnung (17) in der Rohrwand des Messrohres (1) um eine Öffnung (17; 24) mit im wesentlichen runder Form handelt und dass mehrere Ultraschallsensoren (22) in einem in der Öffnung (17; 24) einbringbaren Bauteil (25) zusammengefasst sind.
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