EP2283326A1 - Measurement system for determining and/or monitoring the flow of a measurement medium through a measuring tube - Google Patents

Measurement system for determining and/or monitoring the flow of a measurement medium through a measuring tube

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Publication number
EP2283326A1
EP2283326A1 EP09757509A EP09757509A EP2283326A1 EP 2283326 A1 EP2283326 A1 EP 2283326A1 EP 09757509 A EP09757509 A EP 09757509A EP 09757509 A EP09757509 A EP 09757509A EP 2283326 A1 EP2283326 A1 EP 2283326A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
coupling layer
ultrasonic
measuring tube
measuring system
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Withdrawn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
EP09757509A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre ÜBERSCHLAG
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 EP2283326A1 publication Critical patent/EP2283326A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • G01F1/663—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 by measuring Doppler frequency shift

Definitions

  • Measuring system for determining and / or monitoring the flow of a
  • the present invention relates to a measuring system for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a measuring tube with at least one UStraschaSlwandler and at least one control / evaluation, which are derived from the measurement signals or based on measurement data, which are derived from the measurement signals Determined volume and / or the mass flow of the flowing in the measuring tube measuring medium, wherein the ultrasonic transducer has at least one eiektromechanisches transducer element which transmits and / or receives ultrasonic signals, and with at least one Koppei harsh in the region between the electromechanical transducer element and the measuring medium, which coupling layer conducts the ultrasonic signals ,
  • Uitraschall flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
  • the known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.
  • ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow.
  • the runtime difference can be used to determine the flow velocity and, with a known diameter of the pipe section, the volume flow rate.
  • ultrasonic waves with a specific frequency are coupled into the liquid and the reflected waves reflected by the liquid are evaluated. From the frequency shift between the coupled and reflected waves can also determine the flow velocity of the liquid.
  • ultrasonic transducers are firmly attached to the pipe wall of the relevant pipe section. More recently, clamp-on
  • Ultrasonic flow measuring systems available. In these systems, the ultrasonic transducers are pressed against the pipe wall only with a clamping lock. Such systems are for. Example, from EP 686 255 B1, US-A 44 84 478 or US-A 45 98 593 known.
  • a big advantage of clamp-on ultrasonic flowmeters is that they do not touch the medium being measured and are mounted on an existing pipeline.
  • the disadvantage is a high effort in the assembly of the clamp-on systems to align the individual Ultraschallaliwandler each other, which depends on many parameters, such as pipe wall thickness, pipe diameter, speed of sound in the measured medium.
  • Both ultrasound transducers of medium-contacting InNne systems and ultrasound transducers of clamp-on systems conventionally require a relatively large amount of space outside of the measuring tube. They are exposed to mechanical influences.
  • the ultrasonic signals between the ultrasonic transducers usually propagate on a signal path.
  • the ultrasound transducers normally consist of a piezoelectric element, also called piezo for short, and a coupling layer, also Koppeikei! or less commonly called Vorlauf stresses.
  • the coupling layer is usually made of plastic
  • the piezoelectric element is in industrial process measurement usually a piezoceramic.
  • the ultrasonic waves are generated and passed over the coupling layer to the pipe wall and passed from there into the liquid. Since the speeds of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another. The refraction angle! determined in first approximation after the
  • the adaptation layer assumes the function of the transmission of the ultrasonic signal and at the same time the reduction of a reflection caused by different acoustic impedances at boundary layers between two materials.
  • a sensor device for flow measurement which is fixedly mounted on a measuring tube.
  • This sensor device is a piezoelectric sensor which detects vibration and / or oscillation variables of the measuring tube or the wall of the measuring tube on which the piezoelectric sensor is mounted, and these vibration and / or oscillation variables of the measuring tube, which due to interactions of a flowing medium in the Measuring tube with the wall of the measuring tube are generated, converted into voltage signals. By means of these voltage signals, the flow of the measuring medium through the measuring tube is then determined.
  • the piezosensor foil is attached to the outside of the wall of the measuring tube, whereby a measuring medium flows past on the inside of the wall.
  • a shield may be attached to protect the piezo sensor film.
  • the piezo sensor film preferably consists of polyvinylidene fluoride (PVDF). From the Piezose ⁇ sorfolie no vibration or vibration signal is emitted. The piezo sensor film only receives vibrations or vibrations caused by the flow that is located in the interior of the measuring tube.
  • the measuring accuracy of the sensor device is very limited.
  • US Pat. No. 3,906,791 shows an ultrasonic flowmeter with a measuring tube of rectangular or square cross-section.
  • ultrasonic transducers are mounted on the flat outside of the measuring tube wall. They emit an ultrasonic signal substantially perpendicular to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube. The ultrasonic signal is deflected in the direction of the flow of the measuring medium or its opposite by triangular in cross-section recesses on the inside of the measuring tube wall.
  • the object of the invention is to provide a flow measuring system whose sensors can be attached to a pipeline and require no complicated mutual alignment.
  • a measuring system for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a measuring tube with at least one ultrasonic transducer and with at least one control / evaluation unit, which are based on the measurement signals or on the basis of measurement data derived from the measurement signals determines the volume and / or the mass flow of the measuring medium flowing in the measuring tube, wherein the ultrasonic transducer has at least one electromechanical transducer element which transmits and / or receives ultrasonic signals, and with at least one Coupling layer in the region between the electromechanical transducer element and measuring medium, soft coupling layer fuses the UltraschallaSIsignale, the ultrasonic transducer with the measuring tube acoustically coupled and that the ultrasonic transducer is configured such that the ultrasonic transducer to the respective shape of the inner and / or outer wall of the measuring tube at least partially adaptable is.
  • another advantage is a very flat design of the ultrasonic
  • the electromechanical transducer element converts the ultrasonic signals according to the principle of electrostriction or magnetostriction.
  • Magnetostriction is the change in length of a ferromagnetic material due to an applied magnetic field.
  • the electrostriction describes the deformation of a dielectric as a result of an applied electric field. The deformation is generally not dependent on the direction of the field. The piezoelectric effect is thus in the special part of electrostriction.
  • magnetostriction is the change in length of a ferromagnetic material due to an applied magnetic field.
  • the electrostriction describes the deformation of a dielectric as a result of an applied electric field. The deformation is generally not dependent on the direction of the field.
  • the piezoelectric effect is thus in the special part of electrostriction.
  • the electromechanical transducer element is a piezoelectric element.
  • the electromechanical transducer generates ultrasound signals and / or converts received ultrasound signals into electrical signals.
  • the coupling layer conducts the ultrasonic signals.
  • the coupling layer is preferably made of a material which has certain acoustic properties, e.g. a predeterminable acoustic impedance and / or a predeterminable sound velocity.
  • the tube itself serves as a coupler layer. If e.g. a steel tube used as a measuring tube and the electromechanical Wandierelement is a piezoelectric element, so a coupling layer as an adaptation layer between the transducer element and the measuring tube is providable.
  • the electromechanical transducer element can be attached directly to the measuring tube.
  • the measuring tube takes over the task of the coupling layer, the acoustic coupling between the transducer element and the measuring medium.
  • Ultrasonic transducers generate ultrasonic signals in the form of ultrasonic waves.
  • ultrasonic waves propagate only as longitudinal waves.
  • the excited particles vibrate in the propagation direction by the amount of the amplitude.
  • An ultrasound signal thus consists of at least one ultrasound wave with a wavefront.
  • the Welienfront stands perpendicular to the propagation direction of the ultrasonic waves.
  • An ultrasonic signal is limited in its width. That the wavefront has a finite extent.
  • the essential element for limiting the width of an ultrasonic signal is the surface of the ultrasonic transducer from which the ultrasound wire is emitted. For the sake of simplicity, it is believed that a limited width ultrasonic signal propagates on a sharp sound or signal path. The width of the signal path is to be regarded as punctiform. An ultrasonic signal therefore propagates on a straight signal path in a model. The propagation direction of the ultrasonic waves thus corresponds to the direction of the ultrasound signal on the signal path.
  • an ultrasonic transducer comprises at least one electromechanical wall element, e.g. a piezoelectric element, which emits and / or receives ultrasound signals on at least one first signal path, and a coupling layer in the region between the electromechanical transducer element and the measurement medium conducts the ultrasound signals on the first signal path.
  • electromechanical element e.g. a piezoelectric element, which emits and / or receives ultrasound signals on at least one first signal path, and a coupling layer in the region between the electromechanical transducer element and the measurement medium conducts the ultrasound signals on the first signal path.
  • electromechanical element several elements can be used. These are e.g. to arrange next to each other and / or one above the other in so-called stacks. For the stacks, the individual elements are contacted and connected in series (series) or in sandwich construction.
  • the electromechanical transducer element is flexible.
  • the electromechanical Wandlausement has at least during the assembly of Uftraschallwandlers on a certain flexibility. For example, by curing an adhesive or by cooling the flexible at an assembly temperature electromechanical transducer element, a flexibility in the use of Ultraschallaliwandiers is not mandatory.
  • the electromechanical transducer element is a foil.
  • a film is a thin sheet, which can be produced in Endfosbahnen and can be rolled up. The thickness of a film thus depends on different material parameters.
  • PVDF films are usually less than 1 mm thick.
  • the electromechanical transducer element takes the form of a single or double-curved shell. Ultrasonic signals can be emitted and / or received over approximately the entire surface of the electromechanical transducer element. Two shells are parallel if their tails and their mantle lines are parallel to each other.
  • the eiektromechanische transducer element can be applied to a first surface of the coupling layer and the ultrasonic signal occurs substantially perpendicular to the first surface of the coupling layer in the first surface of the coupling layer and / or from the first surface of the Coupling layer exits and the coupling layer, the ultrasonic signal deflected at least partially so that a first direction component of the ultrasonic signal in or against the flow direction of the measuring medium in the measuring tube shows and / or that a second direction component of the ultrasonic signal is perpendicular to the flow direction of the measuring medium in the measuring tube.
  • the propagation direction of the ultrasound signal on the first signal path is substantially perpendicular to the first surface of the first coupling layer upon signal entry and / or signal exit from the first surface of the first coupling layer.
  • the ultrasonic signal is refracted. If the ultrasonic signal is refracted or deflected perpendicularly to the flow direction of the measuring medium in the measuring tube, ie provided with a directional component in the radial direction, a flow measurement with the transit time difference method, eg with prior flow conditioning, is possible.
  • parameters of the measuring medium such as e.g. the speed of sound in the medium to be determined.
  • the ultrasonic signal thus runs on a straight path perpendicular to the electromechanical transducer through the measuring tube.
  • the e vomromechanische transducer element can be applied to a first surface of the coupling layer and the ultrasonic signal occurs substantially perpendicular to the first surface of the Koppei Mrs in the first surface of the coupling layer and / or emerges from the first surface of the coupling layer and the coupling layer deflects the ultrasonic signal onto two signal paths in such a way that a first directional component of the ultrasound signal on a first signal path and a third directional component of the ultrasound signal on a second
  • the coupling layer has at least one recess, which recess has an approximately trapezoidal cross-section.
  • the recess forms a groove.
  • the groove with the approximately trapezoidal cross section has an extent perpendicular to the approximately trapezoidal cross section.
  • the cross section is continued in the longitudinal direction.
  • the RiNe runs at an angle of 0 ° to 90 ° to the tube axis, ie the longitudinal direction of the groove extends at an angle of 0 ° to 90 ° to the tube axis.
  • the groove assumes a circular or oval longitudinal section. The angle refers to the tangent to the ultrasound transducer.
  • the recesses are arranged approximately uniformly over the surface of the coupling layer.
  • the distance of the recesses from each other is substantially constant.
  • the recesses have approximately the same cross sections.
  • the recesses are introduced on two opposite sides of the coupling layer.
  • a supplementary development of the device according to the invention is that the recesses are an integral part of the measuring tube.
  • the measuring tube has a thread in its inner wall and / or outer wall.
  • the recesses are triangular, wherein one side of the triangular recess is substantially parallel to at least one propagation direction of the ultrasound signal. In one embodiment, one side of the triangular-shaped recess is substantially perpendicular to at least one propagation direction of the ultrasound signal.
  • the ultrasound signal is modeled along an approximately sharp signal path.
  • the measuring system determines and / or monitors the flow of the measuring medium through the measuring tube with the transit time difference method or the Doppler method.
  • the measuring system has at least two Uitraschallwandler, which are arranged on the measuring tube, that the ultrasonic signal on the first signal path between the two ultrasonic transducers.
  • Fig. 1 shows in longitudinal section a measuring tube with trapezoidal according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a measuring tube with trapezoidal recesses according to the invention on the outside
  • Fig. 3 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
  • Fig. 4 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
  • FIG. 6 shows in cross section an ultrasonic transducer according to the invention with two
  • FIG. 7 shows in perspective a coupling layer according to the invention of an ultrasonic transducer
  • Fig. 8 shows in perspective a coupling layer according to the invention a
  • Fig. 9 shows in longitudinal and cross section an inventive measuring system with a Ultraschallwandier
  • Fig. 10 shows in longitudinal and cross section an inventive measuring system with an ultrasonic transducer
  • Fig. 11 shows a longitudinal section of an inventive measuring system with two
  • Fig. 13 shows in cross-section an inventive measuring system with two or three
  • Fig. 14 shows in cross section the structure of an inventive
  • Ultrasonic transducer 15 shows an ultrasonic transducer array on a coupling element according to the invention of two coupling layers
  • Fig. 1 shows an inventive measuring system in longitudinal section.
  • the measuring tube 3 has essentially triangular recesses 21 in the measuring tube inner wall 23, which recesses 21 form a groove in the measuring tube inner wall 23.
  • the triangular shape of the cross sections of the recesses 21 is an extreme expression of a trapezoid.
  • a trapezoid is determined by four sides, which include four angles. We one of these hints! Zero and thus a side length zero, creates a triangle. Other extreme forms are e.g. a rectangle or a stretch.
  • medium parameters such as e.g. Due to the tube curvature, the trapezoid may have slightly curved sides, but the cross section of the recesses 21 is approximately recognizable as a trapezoid.
  • the recesses 21 may be filled with a material or, as here, filled by the measuring medium 4.
  • the electromechanical transducer preferably a piezoelectric film 5, not shown here for the sake of simplicity, is mounted on the part of the measuring tube outer wall 22 opposite the recesses 21, ie the region of the measuring tube 3 which has the recesses 21 also has the piezoelectric FoNe 5 on, just on the other side of the measuring tube wall.
  • Ultrasonic signals which are irradiated by the piezoelectric film 5 approximately perpendicular to the outer wall 22 of the measuring tube 3, ie perpendicular to an imaginary tangential plane, strike the recesses 21 and are corresponding to the angle at which they interfere with the interface between measuring tube 3 and measuring medium.
  • the measuring tube 3 takes over here the same function as a first and in this case
  • the measuring tube outer wall forms the first surface 10 of the first Koppet Anlagen 7 and the interface between the measuring tube 3 and measuring medium 4 is the second surface 11 of the first coupling layer. 7
  • the inscribed Uitraschallsignaipfad 6 represents the ultrasonic signal waveform. It is perpendicular to the wavefront of an ultrasonic signal.
  • an ultrasonic signal in both directions, when the refractions at the entry point of the signal opposite side of the rotating Uitraschallwandiers 4 have the same angle. This is e.g. achieved in that the circumferential recesses 21 approximately constant shape and
  • the first Rambatungskomponente 25 of the ultrasonic signal on the first signal path 6 points in the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3.
  • a second directional component 26 of the ultrasonic signal on the first signal path 6 transversely to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3 would point into the plane of the plane or out of the plane of the drawing.
  • the measuring tube 3 acts as a second coupling layer 8.
  • the measuring tube 3 has trapezoidal recesses 21 in its outer wall 22, which are filled, for example, with a plastic compound.
  • the filled recesses 21 form the first Koppei Mrs 7.
  • the piezoelectric film 5 is applied, which again is not shown here.
  • At the interface between first coupling layer 7 and second coupling layer 8 Thus, at the interface between the second surface 11 of the first coupling layer 7 and the first surface 12 of the second coupling layer 8, an ultrasound signal is deflected or refracted according to the known circumstances.
  • a second refraction takes place on the second surface 13 of the second coupling layer 8, the tube inner wall 23.
  • the ultrasonic signals from the piezoelectric element that is to say the ultrasonic signals irradiated into the first coupling layer 7, are also shown in the following FIGS. 3 to 6.
  • the ultrasonic signals can either be totally reflected approximately at the inner wall 23 of the measuring tube 3, to which the ultrasonic signal impinges, and be directed back to the ultrasonic transducer 2, or they are, as indicated in FIG. 2, broken analogously to the signal entry, if an ultrasonic transducer 2 is mounted on the opposite side of the Einstrahl scanning the measuring tube 3.
  • angles of inclination of the surfaces of the coupling layers to the incident ultrasonic signal are not necessarily equal to the refraction angle of the ultrasonic signal. This depends on the speed of sound, u.a. of the medium to be measured. This is a great advantage of the invention: conventional clamp-on systems must be aligned with each other, e.g. with a change of the measuring medium. This system does not have to be realigned.
  • FIG. 3 shows a measuring tube 3 with an ultrasound transducer 2 mounted on its outside 22.
  • the ultrasonic transducer 2 consists of a piezoelectric film 5 and two coupling layers 7, 8, wherein the piezoelectric film 5 is mounted on the first coupling layer 7 and the second coupling layer 8 is mounted on the measuring tube 3.
  • the piezoelectric film 5 is not shown for the sake of simplicity.
  • the ultrasonic signals enter into the first coupling layer 7 substantially perpendicular to the first surface 10 of the first coupling layer 7 and out of the first coupling layer 7. Here again, only the entrance is so
  • the refraction at the boundary layer between the first coupling sheath 7 and the second coupling layer 8 is influenced by the fact that the speed of sound in the first coupling layer 7 is higher than in the second coupling layer 8.
  • the second surface 11 of the first coupling layer 7 assumes substantially the shape of a bellows. Since the second surface 11 of the first coupling layer 7 has trapezoidal recesses 21, the first surface 12 of the second coupling layer 8 has a congruent increase. Alone considered, however, the first surface 12 of the second coupling layer 8 is also provided with trapezoidal recesses 21.
  • the two surfaces 10, 11 are to be regarded as positive and negative to each other.
  • the recesses 21 in the first coupling layer 7 are completely filled by the second coupling layer 8.
  • the advantage of the embodiment of the trapezoidal recesses 21 in sawtooth form is that the ultrasonic signals radiated by the piezoelectric film 5, which run parallel to each other and in a common imaginary axial plane 19, are deflected differently at the interfaces of the coupling layers 7 and 8, since the ultrasonic signals hit the shorter and longer interfaces at different angles.
  • a part of the ultrasound signal can be radiated into the measuring mandrel 4 at a certain angle in one direction, wherein another, in particular a very small, part of the ultrasound signal is deflected at an interface, here at the shorter, such that the signal is passed out of the ultrasonic transducer 2, without it passes through the measuring medium 4.
  • part of the signal energy is lost.
  • the materials of the coupling layers 7 and 8 are according to their acoustic properties, such as. e.g. their acoustic impedance or their speed of sound.
  • the ultrasonic transducer 2 is mounted on the outer wall 22 of the measuring tube 3. He takes approximately the shape of the measuring tube 3 and the shape of the outer wall 22 at least partially, here the Uitraschalfwandler 2 takes the form of a simply curved shell.
  • Fig. 6 discloses the Teüquerroughsansicht an ultrasonic transducer according to the invention 2.
  • the ultrasonic transducer 2 consists of a piezoelectric film 5, not shown, and a coupling element between the measuring tube 3 and piezo 5 of two coupling layers.
  • the trapezoidal recesses 21 extend substantially parallel to the tube axis 16 in the side of the first coupling layer 7 facing the measuring medium 4.
  • the second coupling layer 8 is located between measuring tube 3 and first coupling layer 7 and completely fills the recesses 21 in the first coupling layer 7.
  • the ultrasonic signals entering substantially perpendicularly to the first surface 10 of the first coupling layer 7 and extending essentially in an imaginary radial plane are deflected at an angle to an imaginary axial plane, ie perpendicular to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3, in accordance with the known circumstances.
  • the ultrasonic transducer 2 is mounted around the entire measuring tube circumference. Refractions of the ultrasonic signal are in turn possible on the inner wall 23 of the measuring tube 3 or on the surfaces of the recesses 21 of the Uitraschallwandlers 2.
  • a coupling layer 7 is shown in perspective on both sides of the Koppei Mrs, ie both on its first surface 10, as well as on its second surface 11, triangular recesses 21 are attached.
  • the recesses 21 form grooves.
  • the grooves on the first side are perpendicular to the grooves of the second side.
  • FIG. 8 shows a coupling layer 7 with recesses 21 introduced only into a surface 10. If this coupling layer 7 is placed around a measuring tube 3, not shown, the grooves formed by the recesses 21 have an angle to the tube axis 16 or to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3 an angle of about 45 °. To realize such grooves by simply tapping, for example in the inner wall 23 of the measuring tube. 3
  • FIGS. 9 and 10 show longitudinal and cross sections of measuring systems according to the invention. In each case the full cross-section of the measuring tube 3 is penetrated by ultrasonic signals. In FIG. 10, the ultrasonic transducer covers only half the outer wall 24 of the measuring tube 3, wherein in FIG. 9 the full measuring tube circumference is covered.
  • FIG. 10 shows the cross sections of the longitudinal sections drawn in FIGS. 9a and 10a. The degree of coverage of the tubes 3 by the ultrasonic transducers 2 can be seen.
  • FIG. 10a shows the signal course upon reflection at the measuring tube outer wall.
  • FIGS. 11 and 12 likewise show longitudinal sections of a measuring system 1.
  • two ultrasonic transducers 2 are mounted on a measuring tube 3. Both transducers 2 send ultrasonic signals in the direction of the other converter. So one sends upstream, the other downstream. Received is the signal of the other ultrasonic transducer 2.
  • For an asymmetric profile of the recesses 21 is advantageous.
  • Fig. 12 shows three Uitraschailwandler 2 in a row.
  • the middle ultrasonic transducer 2 serves as a transmitter, the other two are used only as a receiver.
  • the transmitter transmits both in a! S and counter to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3.
  • the cross section illustrated in FIG. 13 can originate both from a measuring system with an ultrasonic transducer 2, as well as with a plurality of ultrasonic transducers 2 in series.
  • the region of the measuring medium 4 in the measuring tube 3, which is penetrated by ultrasonic signals is shown hatched.
  • the measuring system is, as can be seen here, very flat in contrast to the prior art. It is thus comparatively less frequently and exposed to much lower mechanical loads.
  • FIG. 14 shows an ultrasound converter 2 according to the invention.
  • the electromechanical Wandlereiement 5 is applied to a first coupling layer 7.
  • a second coupling layer 8 is in contact with the first coupling layer 7 and the outer wall 22 of the measuring tube 3.
  • a Meßmedäum 4 are located in the interior of the measuring tube 3.
  • On the detailed drawing of a triangular recess 21 are individual signal paths to see 6, on which propagate ultrasound signals modeühaft , The signal paths 6 are substantially parallel to one another and approximately parallel to a surface or to a side of the triangular-shaped recess 21 in cross-section. This ensures that a loss of signal energy due to refraction is very small. Over the entire surface 13, the ultrasonic signals are emitted from the coupling element 8. If the signal paths are not parallel to a side surface of the triangular-shaped recess 21, there is a signal gap and thus a loss of signal energy.
  • Fig. 15 shows an ultrasonic transducer array of two interdigitated ultrasonic wall elements 5, 5 '.
  • the ultrasound transducer elements 5, 5 ' can also consist of a single foil with electrodes applied at specific intervals to one another, for example sputtered on.
  • they are arranged over a triangular-shaped recess 21 and they each cover a deflecting side of the triangle.

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Abstract

Measurement system for determining and/or monitoring the flow of a measurement medium through a measurement tube, comprising at least one ultrasound converter and at least one control/evaluation unit that determines, through the measurement signals and measurement data derived therefrom, the volume and/or mass flow of the measurement medium flowing in the measurement tube, wherein the ultrasound converter comprises at least one electromechanical converter element that sends and/or receives ultrasound signals, and comprising at least one coupling layer in the area between the electromechanical converter element and the measurement medium, said coupling layer conducting the ultrasound signals, said ultrasound converter being acoustically coupleable to the measurement tube and being at least partially modifiable according to the exterior shape of the measurement tube, and said electromechanical converter element being flexible.

Description

Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Measuring system for determining and / or monitoring the flow of a
Messmediums durch ein MessrohrMeasuring medium through a measuring tube
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem UStraschaSlwandler und mit mindestens einer Regel- /Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, weiche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, wobei der Ultraschallwandler mindestens ein eiektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppeischicht im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement und Messmedium, welche Koppelschicht die Ultraschallsignale leitet.The present invention relates to a measuring system for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a measuring tube with at least one UStraschaSlwandler and at least one control / evaluation, which are derived from the measurement signals or based on measurement data, which are derived from the measurement signals Determined volume and / or the mass flow of the flowing in the measuring tube measuring medium, wherein the ultrasonic transducer has at least one eiektromechanisches transducer element which transmits and / or receives ultrasonic signals, and with at least one Koppeischicht in the region between the electromechanical transducer element and the measuring medium, which coupling layer conducts the ultrasonic signals ,
Uitraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnäk eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.Uitraschall flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppleroder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.The known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.
Beim Laufzeitdifferenz- Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.When Laufzeitdifferenz- principle, the different maturities of ultrasonic pulses are evaluated relative to the flow direction of the liquid.
Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.For this purpose, ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow. The runtime difference can be used to determine the flow velocity and, with a known diameter of the pipe section, the volume flow rate.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwelien mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Uitraschaüwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen iässt sich ebenfalls die Fiießgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.In the Doppler principle, ultrasonic waves with a specific frequency are coupled into the liquid and the reflected waves reflected by the liquid are evaluated. From the frequency shift between the coupled and reflected waves can also determine the flow velocity of the liquid.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.Reflections in the liquid, however, only occur when air bubbles or contaminants are present in it, so that this principle is mainly used in contaminated liquids.
Die Ultraschaliweilen werden mit Hilfe so genannter Uitraschaüwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-The ultrasound is sometimes generated or received with the help of so-called Uitaschaüwandler. For this purpose, ultrasonic transducers are firmly attached to the pipe wall of the relevant pipe section. More recently, clamp-on
UltraschaJl-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschiuss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.Ultrasonic flow measuring systems available. In these systems, the ultrasonic transducers are pressed against the pipe wall only with a clamping lock. Such systems are for. Example, from EP 686 255 B1, US-A 44 84 478 or US-A 45 98 593 known.
Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz- Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen UltraschaÜimpulsen ermittelt.Another ultrasonic flow meter, which operates on the transit time difference principle, is known from US-A 50 52 230. The transit time is determined here by means of short ultrasound pulses.
Ein großer Vorteil von Clamp-On-Uitraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Nachteilig ist ein hoher Aufwand bei der Montage der Clamp- On-Systeme, um die einzelnen Ultraschaliwandler gegenseitig auszurichten, was von vielen Parametern, wie z.B. Rohrwanddicke, Rohrdurchmesser, Schallgeschwindigkeit im Messmedium, abhängt. Sowohl Ultraschallwandler mediumsberührender InNne-Systeme als auch Ultraschallwandler von Clamp-On- Systemen benötigen herkömmlicherweise einen relativ üppigen Bauraum außerhalb des Messrohrs. Sie sind mechanischen Einflüssen ausgesetzt. Die Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern breiten sich üblicherweise auf einem Signalpfad aus. Der Signaipfad verläuft jeweils nur durch einen Bruchteil der Strömung des Messmediums im Messrohr, wodurch die Schätzung des gesamten Durchflusses durch das Messrohr stark beeinflusst ist. Die Ultraschailwandler bestehen normalerweise aus einem piezoelektrischen Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppeikei! oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinke! bestimmt sich in erster Näherung nach demA big advantage of clamp-on ultrasonic flowmeters is that they do not touch the medium being measured and are mounted on an existing pipeline. The disadvantage is a high effort in the assembly of the clamp-on systems to align the individual Ultraschallaliwandler each other, which depends on many parameters, such as pipe wall thickness, pipe diameter, speed of sound in the measured medium. Both ultrasound transducers of medium-contacting InNne systems and ultrasound transducers of clamp-on systems conventionally require a relatively large amount of space outside of the measuring tube. They are exposed to mechanical influences. The ultrasonic signals between the ultrasonic transducers usually propagate on a signal path. In each case, the signal path runs only through a fraction of the flow of the measuring medium in the measuring tube, whereby the estimation of the total flow through the measuring tube is greatly influenced. The ultrasound transducers normally consist of a piezoelectric element, also called piezo for short, and a coupling layer, also Koppeikei! or less commonly called Vorlaufkörper. The coupling layer is usually made of plastic, the piezoelectric element is in industrial process measurement usually a piezoceramic. In the piezoelectric element, the ultrasonic waves are generated and passed over the coupling layer to the pipe wall and passed from there into the liquid. Since the speeds of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another. The refraction angle! determined in first approximation after the
Snell'schen Gesetz, Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.Snell 's law, the angle of refraction is thus dependent on the ratio of the propagation velocities in the media.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppetschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.Between the piezoelectric element and the coupling layer, a further Koppetschicht may be arranged, a so-called adaptation layer. The adaptation layer assumes the function of the transmission of the ultrasonic signal and at the same time the reduction of a reflection caused by different acoustic impedances at boundary layers between two materials.
In der DE-PS 100 12 926 ist eine Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung offenbart, welche auf einem Messrohr fest angebracht ist. Diese Sensoreinrichtung ist ein Piezofoiiensensor, welcher Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen des Messrohrs bzw. der Wandung des Messrohrs, auf welcher der Piezofoiiensensor angebracht ist, erfasst, und diese Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen des Messrohrs, welche aufgrund von Wechselwirkungen eines strömenden Mediums im Messrohr mit der Wandung des Messrohrs erzeugt werden, in Spannungssignale wandelt. Mittels dieser Spannungssignale wird anschließend der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr ermittelt.In DE-PS 100 12 926 a sensor device for flow measurement is disclosed, which is fixedly mounted on a measuring tube. This sensor device is a piezoelectric sensor which detects vibration and / or oscillation variables of the measuring tube or the wall of the measuring tube on which the piezoelectric sensor is mounted, and these vibration and / or oscillation variables of the measuring tube, which due to interactions of a flowing medium in the Measuring tube with the wall of the measuring tube are generated, converted into voltage signals. By means of these voltage signals, the flow of the measuring medium through the measuring tube is then determined.
Die Piezosensorfolie wird an der Außenseite der Wandung des Messrohrs angebracht, wobei an der Innenseite der Wandung ein Messmedium vorbeiströmt. Darüber kann zum Schutz der Piezosensorfolie noch eine Abschirmung angebracht sein. Die Piezosensorfolie besteht bevorzugt aus Polyvinyfidenflourid (PVDF). Von der Piezoseπsorfolie wird kein Schwingungs- oder Vibrationssignal abgestrahlt. Die Piezosensorfolie empfängt lediglich Schwingungen oder Vibrationen, welche durch die Strömung, die sich im innenraum des Messrohrs befindet, verursacht werden. Da nun die Wechselwirkungen zwischen Innenseite der Wandung des Messrohrs und Messmedium von vielen verschiedenen Parametern, wie z.B. Zusammensetzung des Messmediums und der damit verbundenen Reynolds-Zahl des Messmediums, abhängen und sich einige dieser Parameter mit der Zeit, z.B. durch Veränderung der Oberfläche des Messrohrs, z.B. durch abrasiven Verschleiß, verändern, ist die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung sehr beschränkt.The piezosensor foil is attached to the outside of the wall of the measuring tube, whereby a measuring medium flows past on the inside of the wall. In addition, a shield may be attached to protect the piezo sensor film. The piezo sensor film preferably consists of polyvinylidene fluoride (PVDF). From the Piezoseπsorfolie no vibration or vibration signal is emitted. The piezo sensor film only receives vibrations or vibrations caused by the flow that is located in the interior of the measuring tube. Since the interactions between the inside of the wall of the measuring tube and the measuring medium depend on many different parameters, such as composition of the measuring medium and the associated Reynolds number of the measuring medium, and some of these parameters with time, eg by changing the surface of the measuring tube, eg due to abrasive wear, the measuring accuracy of the sensor device is very limited.
Die US-PS 3,906,791 zeigt ein Ultraschali-Durchfluss-Messgerät mit einem Messrohr mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. In einer Ausführungsform sind Ultraschallwandler auf der flachen Außenseite der Messrohrwand angebracht. Sie senden ein Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr ab. Das Ultraschallsignal wird in Richtung der Strömung des Messmediums oder ihr entgegengesetzt durch im Querschnitt dreieckförmige Aussparungen auf der Innenseite der Messrohrwand abgelenkt.US Pat. No. 3,906,791 shows an ultrasonic flowmeter with a measuring tube of rectangular or square cross-section. In one embodiment, ultrasonic transducers are mounted on the flat outside of the measuring tube wall. They emit an ultrasonic signal substantially perpendicular to the main flow direction of the measuring medium in the measuring tube. The ultrasonic signal is deflected in the direction of the flow of the measuring medium or its opposite by triangular in cross-section recesses on the inside of the measuring tube wall.
In der DE-A 102 04 714 ist ein Ultraschallwandler beschrieben, der in der Gestalt eines Kreisbogens oder eines Rings ausgebildet ist und somit an kreisförmigen Rohren einer bestimmten Größe ankoppelbar ist.In DE-A 102 04 714 an ultrasonic transducer is described, which is formed in the shape of a circular arc or a ring and thus can be coupled to circular pipes of a certain size.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Durchfluss-Messsystem bereit zu stellen, dessen Sensoren an einer Rohrleitung anbringbar sind und keiner aufwendigen gegenseitigen Ausrichtung bedürfen.The object of the invention is to provide a flow measuring system whose sensors can be attached to a pipeline and require no complicated mutual alignment.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler und mit mindestens einer Regel- /Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, wobei der Ultraschallwandler mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement und Messmedium, weiche Koppelschicht die UltraschaSIsignale feitet, wobei der Ultraschaliwandler mit dem Messrohr akustisch koppelbar und dass der Ultraschallwandler derart ausgestaltet ist, dass der Ultraschallwandler an die jeweilige Form der Innen- und/oder Außenwand des Messrohrs zumindest teilweise anpassbar ist. Neben dem Wegfall der gegenseitigen Ausrichtung der Clamp-On- Sensoren ist ein weiterer Vorteil eine sehr flache Bauweise des Ultraschallwandlers.The object is achieved by a measuring system for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a measuring tube with at least one ultrasonic transducer and with at least one control / evaluation unit, which are based on the measurement signals or on the basis of measurement data derived from the measurement signals determines the volume and / or the mass flow of the measuring medium flowing in the measuring tube, wherein the ultrasonic transducer has at least one electromechanical transducer element which transmits and / or receives ultrasonic signals, and with at least one Coupling layer in the region between the electromechanical transducer element and measuring medium, soft coupling layer fuses the UltraschallaSIsignale, the ultrasonic transducer with the measuring tube acoustically coupled and that the ultrasonic transducer is configured such that the ultrasonic transducer to the respective shape of the inner and / or outer wall of the measuring tube at least partially adaptable is. In addition to eliminating the mutual alignment of the clamp-on sensors, another advantage is a very flat design of the ultrasonic transducer.
Das elektromechanische Wandlerelement wandelt die Ultraschallsignale nach dem Prinzip der Elektrostriktion oder der Magnetostriktion. Unter der Magnetostriktion wird die Längenänderung eines ferromagnetischen Stoffs infolge eines angelegten Magnetfelds verstanden. Die Elektrostriktion hingegen beschreibt die Deformation eines Dielektrikums infolge eines angelegten elektrischen Felds. Die Deformation ist dabei im Allgemeinen nicht abhängig von der Richtung des Felds. Der Piezoeffekt ist somit im Speziellen Teil der Elektrostriktion. In einer besonders bevorzugtenThe electromechanical transducer element converts the ultrasonic signals according to the principle of electrostriction or magnetostriction. Magnetostriction is the change in length of a ferromagnetic material due to an applied magnetic field. The electrostriction, on the other hand, describes the deformation of a dielectric as a result of an applied electric field. The deformation is generally not dependent on the direction of the field. The piezoelectric effect is thus in the special part of electrostriction. In a particularly preferred
Ausgestaltung ist das elektromechanische Wandlerelement ein piezoelektrisches Element.Embodiment, the electromechanical transducer element is a piezoelectric element.
Das elektromechanische WandlereJement erzeugt Ultraschallsignale und/oder wandelt empfangene Ultraschallsignale wiederum in elektrische Signale um. Die Koppelschicht leitet die Ultraschallsignale. Die Koppelschicht besteht dabei bevorzugt aus einem Material, welches bestimmte akustische Eigenschaften, wie z.B. eine vorgebbare akustische impedanz und/oder eine vorgebbare Schallgeschwindigkeit, aufweist. In einer besonderen Ausführungsform dient das Rohr selbst als Koppeischicht. Wird z.B. ein Stahlrohr als Messrohr verwendet und das elektromechanische Wandierelement ist ein piezoelektrisches Element, so ist eine Koppelschicht als Anpassungsschicht zwischen Wandlerelement und Messrohr vorsehbar. Ist jedoch das Messrohr aus Kunststoff und/oder das Wandlerelement ein elektrostriktives Element, so ist das elektromechanische Wandlerelement direkt auf dem Messrohr anbringbar. Das Messrohr übernimmt in diesem Fall die Aufgabe der Koppelschicht, die akustische Kopplung zwischen Wandlerelement und Messmedium.The electromechanical transducer generates ultrasound signals and / or converts received ultrasound signals into electrical signals. The coupling layer conducts the ultrasonic signals. The coupling layer is preferably made of a material which has certain acoustic properties, e.g. a predeterminable acoustic impedance and / or a predeterminable sound velocity. In a particular embodiment, the tube itself serves as a coupler layer. If e.g. a steel tube used as a measuring tube and the electromechanical Wandierelement is a piezoelectric element, so a coupling layer as an adaptation layer between the transducer element and the measuring tube is providable. However, if the measuring tube made of plastic and / or the transducer element is an electrostrictive element, the electromechanical transducer element can be attached directly to the measuring tube. In this case, the measuring tube takes over the task of the coupling layer, the acoustic coupling between the transducer element and the measuring medium.
Ultraschaliwandler erzeugen Ultraschallsignale in Form von Ultraschallwellen. In Flüssigkeiten breiten sich Ultraschallwellen nur als Longitudinalwellen aus. Die angeregten Teilchen schwingen hierbei in Ausbreitungsrichtung um den Betrag der Amplitude. Ein UltraschaSIsignal besteht somit aus mindestens einer Ultraschailwelle mit einer Weflenfront. Die Welienfront steht dabei senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen.Ultrasonic transducers generate ultrasonic signals in the form of ultrasonic waves. In liquids, ultrasonic waves propagate only as longitudinal waves. The excited particles vibrate in the propagation direction by the amount of the amplitude. An ultrasound signal thus consists of at least one ultrasound wave with a wavefront. The Welienfront stands perpendicular to the propagation direction of the ultrasonic waves.
Ein Ultraschallsignal ist in seiner Breite begrenzt. D.h. die Wellenfront hat eine endliche Ausdehnung. Das wesentliche Element zur Begrenzung der Breite eines Ultraschallsignals, ist die Fläche des Ultraschaliwandiers, vom welchen die Ultraschaliwetle ausgesendet wird. Der Einfachheit halber wird davon ausgegangen, dass sich ein Ultraschallsignal einer begrenzten Breite auf einem scharfen Schali- oder Signalpfad ausbreitet. Die Breite des Signalpfads ist dabei als punktförmig zu betrachten. Modellhaft breitet sich ein Ultraschallsignai also auf einem geradenförmigen Signalpfad aus. Die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen entspricht somit der Richtung des Ultraschailsignals auf dem Signalpfad.An ultrasonic signal is limited in its width. That the wavefront has a finite extent. The essential element for limiting the width of an ultrasonic signal is the surface of the ultrasonic transducer from which the ultrasound wire is emitted. For the sake of simplicity, it is believed that a limited width ultrasonic signal propagates on a sharp sound or signal path. The width of the signal path is to be regarded as punctiform. An ultrasonic signal therefore propagates on a straight signal path in a model. The propagation direction of the ultrasonic waves thus corresponds to the direction of the ultrasound signal on the signal path.
Somit weist ein Ultraschallwandler erfindungsgemäß mindestens ein elektromechanisches Wandferelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, auf, welches Uitraschallsignale auf zumindest einem ersten Signalpfad aussendet und/oder empfängt und eine Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischen Wandlerelement und Messmedium leitet die Ultraschallsignale auf dem ersten Signaipfad. Statt einem elektromechanischen Element können auch mehrere Elemente Verwendung finden. Diese sind z.B. nebeneinander und/oder übereinander in so genannten Stacks anzuordnen. Bei den Stacks sind die einzelnen Elemente in Serie (Reihe) oder in Sandwichbauweise kontaktiert und geschaltet.Thus, an ultrasonic transducer according to the invention comprises at least one electromechanical wall element, e.g. a piezoelectric element, which emits and / or receives ultrasound signals on at least one first signal path, and a coupling layer in the region between the electromechanical transducer element and the measurement medium conducts the ultrasound signals on the first signal path. Instead of an electromechanical element, several elements can be used. These are e.g. to arrange next to each other and / or one above the other in so-called stacks. For the stacks, the individual elements are contacted and connected in series (series) or in sandwich construction.
in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist das elektromechanische Wandlerelement flexibel. Das elektromechanische Wandlereiement weist zumindest bei der Montage des Uftraschallwandlers eine gewisse Flexibilität auf. Z.B. durch Aushärten eines Klebers oder durch das Abkühlen des bei einer Montagetemperatur flexiblen elektromechanischen Wandlerelements, ist eine Flexibilität beim Einsatz des Ultraschaliwandiers nicht zwingend gegeben.In a first embodiment of the invention, the electromechanical transducer element is flexible. The electromechanical Wandlereiement has at least during the assembly of Uftraschallwandlers on a certain flexibility. For example, by curing an adhesive or by cooling the flexible at an assembly temperature electromechanical transducer element, a flexibility in the use of Ultraschallaliwandiers is not mandatory.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das elektromechanische Wandlerelement eine Folie. Eine Folie ist ein dünnes Blatt, welches in Endfosbahnen herstellbar ist und sich aufrollen lässt. Die Dicke einer Folie hängt somit von verschiedenen Materialparametern ab.According to an advantageous development of the device according to the invention, the electromechanical transducer element is a foil. A film is a thin sheet, which can be produced in Endfosbahnen and can be rolled up. The thickness of a film thus depends on different material parameters.
Als besonders vorteilhaft gelten Folien aus dem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid, kurz PVDF. PVDF-Folien sind meist weniger als 1 mm dick.Particularly advantageous are films made of the piezoelectric polyvinylidene fluoride, PVDF for short. PVDF films are usually less than 1 mm thick.
Besitzt die Rohrleitung, auf weicher der Ultraschallwandler ankoppelbar ist und dessen Gestalt der Ultraschallwandler anpassbar ist, einen näherungsweise kreisrunden oder ovalen Querschnitt, so nimmt das elektromechanische Wandlerelement die Form einer einfach oder doppelt gekrümmten Schale an. Ultraschallsignale sind über näherungsweise die gesamte Fläche des elektromechanische Wandlerelements abstrahlbar und/oder empfangbar. Zwei Schalen sind parallel, wenn ihre Tagenten und Ihre Mantelgeraden zueinander parallel sind.If the pipeline to which the ultrasonic transducer can be coupled and the shape of which is adaptable to the ultrasonic transducer has an approximately circular or oval cross-section, the electromechanical transducer element takes the form of a single or double-curved shell. Ultrasonic signals can be emitted and / or received over approximately the entire surface of the electromechanical transducer element. Two shells are parallel if their tails and their mantle lines are parallel to each other.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass das eiektromechanische Wandlerelement auf einer ersten Oberfläche der Koppelschicht applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der Koppelschicht in die erste Oberfläche der Koppelschicht eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche der Koppelschicht austritt und die Koppelschicht das Ultraschallsignal zumindest anteilig so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente des Ultraschallsignals in oder entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr zeigt und/oder dass eine zweite Richtungskomponente des Ultraschallsignals senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr steht.A very advantageous development of the device according to the invention is to be seen in that the eiektromechanische transducer element can be applied to a first surface of the coupling layer and the ultrasonic signal occurs substantially perpendicular to the first surface of the coupling layer in the first surface of the coupling layer and / or from the first surface of the Coupling layer exits and the coupling layer, the ultrasonic signal deflected at least partially so that a first direction component of the ultrasonic signal in or against the flow direction of the measuring medium in the measuring tube shows and / or that a second direction component of the ultrasonic signal is perpendicular to the flow direction of the measuring medium in the measuring tube.
Die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der ersten Koppelschicht bei Signaleintritt und/oder beim Signalaustritt aus der ersten Oberfläche der ersten Koppelschicht. An einer Grenzfläche zwischen erster Koppelschicht und Messmedium bzw. zwischen erster Koppelschicht und einer zweiten Koppelschicht wird das Ultraschallsignal gebrochen. Wird das Ultraschallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr gebrochen bzw. abgelenkt, also mit einer Richtungskomponente in radialer Richtung versehen, ist eine Durchflussmessung mit dem Laufzeitdifferenzverfahren z.B. mit vorheriger Strömungskonditionierung möglich.The propagation direction of the ultrasound signal on the first signal path is substantially perpendicular to the first surface of the first coupling layer upon signal entry and / or signal exit from the first surface of the first coupling layer. At an interface between the first coupling layer and the measuring medium or between the first coupling layer and a second coupling layer, the ultrasonic signal is refracted. If the ultrasonic signal is refracted or deflected perpendicularly to the flow direction of the measuring medium in the measuring tube, ie provided with a directional component in the radial direction, a flow measurement with the transit time difference method, eg with prior flow conditioning, is possible.
Mit einem Ultraschallwandler ohne eine Koppelschicht, an deren Grenzfläche das Ultraschallsignal in eine bestimmte Richtung abgelenkt wird, können Parameter des Messmediums, wie z.B. die Schallgeschwindigkeit im Messmedium, bestimmt werden. Das Ultraschallsignal läuft also auf geraden Weg senkrecht zum elektromechanischen Wandler durch das Messrohr.With an ultrasonic transducer without a coupling layer, at the interface of which the ultrasonic signal is deflected in a certain direction, parameters of the measuring medium, such as e.g. the speed of sound in the medium to be determined. The ultrasonic signal thus runs on a straight path perpendicular to the electromechanical transducer through the measuring tube.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass das efektromechanische Wandlerelement auf einer ersten Oberfläche der Koppelschicht applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der Koppeischicht in die erste Oberfläche der Koppelschicht eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche der Koppelschicht austritt und die Koppelschicht das Ultraschallsignal auf zwei Signalpfade so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente des Ultraschalϊsignals auf einem ersten Signalpfad in und eine dritte Richtungskomponente des Ultraschallsignals auf einem zweitenAn advantageous development of the device according to the invention proposes that the efektromechanische transducer element can be applied to a first surface of the coupling layer and the ultrasonic signal occurs substantially perpendicular to the first surface of the Koppeischicht in the first surface of the coupling layer and / or emerges from the first surface of the coupling layer and the coupling layer deflects the ultrasonic signal onto two signal paths in such a way that a first directional component of the ultrasound signal on a first signal path and a third directional component of the ultrasound signal on a second
Signalpfad entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr zeigt. Das Ultraschallsägnai wird also in zwei Richtungen abgelenkt und breitet sich folglich nunmehr auf zwei getrennten Signalpfaden aus. Dies ist mit einem einzigen elektromechanischen Wandlereiement realisierbar,Signal path opposite to the flow direction of the medium in the measuring tube shows. The Ultraschallallsnagai is thus deflected in two directions and thus now spreads on two separate signal paths. This can be realized with a single electromechanical conversion element,
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Koppelschicht mindestens eine Aussparung aufweist, welche Aussparung einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt aufweist.A further advantageous development of the device according to the invention provides that the coupling layer has at least one recess, which recess has an approximately trapezoidal cross-section.
Bevorzugt bildet die Aussparung eine Rille. Die Rille mit dem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt hat eine Ausdehnung senkrecht zu dem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt. Der Querschnitt wird in Längsrichtung fortgesetzt. Besonders vorteilhaft verläuft die RiNe in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse, d.h. die Längsrichtung der Rille verläuft in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse. Bei einem näherungsweise kreisrunden oder ovalen Querschnitt des Messrohrs und entsprechender Form und Gestalt des Ultraschallwandlers ist nimmt die Rille einen kreisrunden oder ovalen Längsschnitt an. Der Winkel bezieht sich auf die Tangente an den Ultraschailwandler.Preferably, the recess forms a groove. The groove with the approximately trapezoidal cross section has an extent perpendicular to the approximately trapezoidal cross section. The cross section is continued in the longitudinal direction. Particularly advantageously, the RiNe runs at an angle of 0 ° to 90 ° to the tube axis, ie the longitudinal direction of the groove extends at an angle of 0 ° to 90 ° to the tube axis. In the case of an approximately circular or oval cross section of the measuring tube and corresponding shape and shape of the ultrasonic transducer, the groove assumes a circular or oval longitudinal section. The angle refers to the tangent to the ultrasound transducer.
Bei einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Aussparungen näherungsweise gleichmäßig über die Fläche der Koppelschicht angeordnet. Der Abstand der Aussparungen zueinander ist im Wesentlichen gleich bleibend. In einer Weiterbildung besitzen die Aussparungen näherungsweise gleiche Querschnitte.In a very advantageous development of the invention, the recesses are arranged approximately uniformly over the surface of the coupling layer. The distance of the recesses from each other is substantially constant. In a further development, the recesses have approximately the same cross sections.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Aussparungen auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Koppelschicht eingebracht sind.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention it is proposed that the recesses are introduced on two opposite sides of the coupling layer.
Eine ergänzende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Aussparungen integraler Bestandteil des Messrohrs sind. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass das Messrohr ein Gewinde in seiner Innenwandung und/oder Außenwandung aufweist.A supplementary development of the device according to the invention is that the recesses are an integral part of the measuring tube. A variant of the device according to the invention is that the measuring tube has a thread in its inner wall and / or outer wall.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Aussparungen dreieckförmig sind, wobei eine Seite der dreieckförmigen Aussparung im Wesentlichen parallel zu zumindest einer Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals ist In einer Ausführungsform steht eine Seite der dreieckförmägen Aussparung im Wesentlichen senkrecht auf zumindest einer Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals. Das Ultraschailsignai breitet sich dabei modellhaft entlang eines näherungsweise scharfen Signalpfads aus.An advantageous development of the device according to the invention is that the recesses are triangular, wherein one side of the triangular recess is substantially parallel to at least one propagation direction of the ultrasound signal. In one embodiment, one side of the triangular-shaped recess is substantially perpendicular to at least one propagation direction of the ultrasound signal. The ultrasound signal is modeled along an approximately sharp signal path.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildet der erfindungsgemäßen Lösung bestimmt und/oder überwacht das Messsystem den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr mit dem Laufzeitdifferenzverfahren oder dem Dopplerverfahren. In einer besonders vorteilhaften Ausprägung der Erfindung weist das Messsystem zumindest zwei Uitraschallwandler auf, welche so am Messrohr angeordnet sind, dass das Ultraschalisignal auf dem ersten Signalpfad zwischen beiden Ultraschallwandlern verläuft.According to a further advantageous development of the solution according to the invention, the measuring system determines and / or monitors the flow of the measuring medium through the measuring tube with the transit time difference method or the Doppler method. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the measuring system has at least two Uitraschallwandler, which are arranged on the measuring tube, that the ultrasonic signal on the first signal path between the two ultrasonic transducers.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Messrohr mit erfindungsgemäßen trapezförmigenFig. 1 shows in longitudinal section a measuring tube with trapezoidal according to the invention
Aussparungen auf der Innenseite,Recesses on the inside,
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt ein Messrohr mit erfindungsgemäßen trapezförmigen Aussparungen auf der Außenseite,2 shows a longitudinal section of a measuring tube with trapezoidal recesses according to the invention on the outside,
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandier mit zweiFig. 3 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
Koppeischichten auf einem Messrohr, Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandier mit zweiFig. 4 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
Koppelschichten auf einem Messrohr, Fig. 5 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandier mit zweiCoupling layers on a measuring tube, Fig. 5 shows a longitudinal section of a Ultraschallwandier invention with two
Koppelschichten auf einem Messrohr, Fig. 6 zeigt im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschaliwandler mit zweiCoupling layers on a measuring tube, Fig. 6 shows in cross section an ultrasonic transducer according to the invention with two
Koppelschichten auf einem Messrohr,Coupling layers on a measuring tube,
Fig. 7 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Koppelschicht eines Ultraschallwandlers,7 shows in perspective a coupling layer according to the invention of an ultrasonic transducer,
Fig. 8 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Koppelschicht einesFig. 8 shows in perspective a coupling layer according to the invention a
UltraschaNwandiers, Fig. 9 zeigt im Längs- und Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einem Ultraschallwandier, Fig. 10 zeigt im Längs- und Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einem Ultraschaliwandler, Fig. 11 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zweiFig. 9 shows in longitudinal and cross section an inventive measuring system with a Ultraschallwandier, Fig. 10 shows in longitudinal and cross section an inventive measuring system with an ultrasonic transducer, Fig. 11 shows a longitudinal section of an inventive measuring system with two
Ultraschailwandlern,Ultraschailwandlern,
Fig. 12 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit drei Ultraschallwandlem,12 shows a longitudinal section of an inventive measuring system with three Ultraschallwandlem,
Fig. 13 zeigt im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zwei oder dreiFig. 13 shows in cross-section an inventive measuring system with two or three
Ultraschallwandlern, Fig. 14 zeigt im Querschnitt den Aufbau eines erfindungsgemäßenUltrasonic transducers, Fig. 14 shows in cross section the structure of an inventive
Ultraschallwandlers, Fig. 15 zeigt ein Ultraschallwandlerarray auf einem erfindungsgemäßen Koppelelement aus zwei Koppelschichten,Ultrasonic transducer, 15 shows an ultrasonic transducer array on a coupling element according to the invention of two coupling layers,
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem im Längsschnitt. Das Messrohr 3 weist im Wesentlichen im Querschnitt dreieckförmige Aussparungen 21 in der Messrohrinnenwand 23 auf, welche Aussparungen 21 eine Rille in der Messrohrinnenwand 23 bilden. Die Dreieckform der Querschnitte der Aussparungen 21 ist eine extreme Ausprägung eines Trapezes. Ein Trapez wird durch vier Seiten bestimmt, welche vier Winkel einschließen. Wir einer dieser Winke! Null und damit eine Seitenlänge Null, entsteht ein Dreieck. Andere Extremformen sind z.B. ein Rechteck oder eine Strecke. Wird anstatt der Dreieckform ein Trapez mit zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen, welche näherungsweise parallel zu einer Tangentialebene an der Messrohrwand sind, verwendet, so sind Mediumsparameter wie z.B. die Schallgeschwindigkeit, gleichzeitig mit dem Durchfluss zu bestimmen, Durch die Rohrkrümmung kann das Trapez leicht gekrümmte Seiten aufweisen, wobei jedoch der Querschnitt der Aussparungen 21 näherungsweise als Trapez zu erkennen ist.Fig. 1 shows an inventive measuring system in longitudinal section. The measuring tube 3 has essentially triangular recesses 21 in the measuring tube inner wall 23, which recesses 21 form a groove in the measuring tube inner wall 23. The triangular shape of the cross sections of the recesses 21 is an extreme expression of a trapezoid. A trapezoid is determined by four sides, which include four angles. We one of these hints! Zero and thus a side length zero, creates a triangle. Other extreme forms are e.g. a rectangle or a stretch. If, instead of the triangular shape, a trapezoid with two opposite parallel faces, which are approximately parallel to a tangential plane on the measuring tube wall, is used, then medium parameters, such as e.g. Due to the tube curvature, the trapezoid may have slightly curved sides, but the cross section of the recesses 21 is approximately recognizable as a trapezoid.
Die Aussparungen 21 können mit einem Material gefüllt sein oder sind, wie hier, vom Messmedium 4 gefüllt. Der elektromechanische Wandler, bevorzugt eine piezoelektrische Folie 5, hier der Einfachheit halber nicht dargestellt, ist auf dem Teil der Messrohraußenwand 22 angebracht, welcher den Aussparungen 21 gegenüber liegt, d.h. der Bereich des Messrohrs 3, weicher die Aussparungen 21 aufweist, weist ebenfalls die piezoelektrische FoNe 5 auf, nur auf der anderen Seite der Messrohrwand. UltraschaNsignale, welche von der piezoelektrischen Folie 5 näherungsweise senkrecht zur Außenwand 22 des Messrohrs 3, also senkrecht zu einer gedachten Tangentialebene, eingestrahlt werden, treffen auf die Aussparungen 21 und werden entsprechend dem Winkel, unter welchem sie auf die Grenzfläche zwischen Messrohr 3 und Messmedium 4 treffen, und entsprechend den unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten der beiden aneinander grenzenden Materialen, also hier den Schallgeschwindigkeiten im Messrohr 3 und im Messmedium 4, abgelenkt. Dies gilt natürlich ebenfalls für Ultraschallsignale, weiche aus Richtung des Messmediums 4 auf die piezoelektrische Folie 5 treffen. Das Messrohr 3 übernimmt hier gleichzeitig die Funktion einer ersten und in diesem Fall einzigen Koppelschicht 7. Somit bildet die Messrohraußenwand die erste Oberfläche 10 der ersten Koppetschicht 7 und die Grenzfläche zwischen Messrohr 3 und Messmedium 4 ist die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7.The recesses 21 may be filled with a material or, as here, filled by the measuring medium 4. The electromechanical transducer, preferably a piezoelectric film 5, not shown here for the sake of simplicity, is mounted on the part of the measuring tube outer wall 22 opposite the recesses 21, ie the region of the measuring tube 3 which has the recesses 21 also has the piezoelectric FoNe 5 on, just on the other side of the measuring tube wall. Ultrasonic signals, which are irradiated by the piezoelectric film 5 approximately perpendicular to the outer wall 22 of the measuring tube 3, ie perpendicular to an imaginary tangential plane, strike the recesses 21 and are corresponding to the angle at which they interfere with the interface between measuring tube 3 and measuring medium. 4 meet, and according to the different speeds of sound of the two adjacent materials, so here the sound velocities in the measuring tube 3 and the measuring medium 4, deflected. Of course, this also applies to ultrasonic signals which impinge on the piezoelectric film 5 from the direction of the measuring medium 4. The measuring tube 3 takes over here the same function as a first and in this case Thus, the measuring tube outer wall forms the first surface 10 of the first Koppetschicht 7 and the interface between the measuring tube 3 and measuring medium 4 is the second surface 11 of the first coupling layer. 7
Der einbeschriebene Uitraschallsignaipfad 6 stellt den Ultraschallsignalverlauf dar. Er steht senkrecht zur Wellenfront eines Ultraschallsignals. Auf dem Signalpfad 6 verläuft ein Ultraschallsignal in beide Richtungen, wenn die Brechungen an der dem Eintrittspunkt des Signals gegenüberliegende Seite des umlaufenden Uitraschallwandiers 4 die gleichen Winkel aufweisen. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass die umlaufenden Aussparungen 21 näherungsweise konstante Form undThe inscribed Uitraschallsignaipfad 6 represents the ultrasonic signal waveform. It is perpendicular to the wavefront of an ultrasonic signal. On the signal path 6, an ultrasonic signal in both directions, when the refractions at the entry point of the signal opposite side of the rotating Uitraschallwandiers 4 have the same angle. This is e.g. achieved in that the circumferential recesses 21 approximately constant shape and
Gestalt aufweisen und sie entsprechend zueinander ausgestattet sind. Der Hin- und Rückweg des Ultraschailsignals auf dem ersten Signalpfad 6 wird durch die beiden Pfeiie markiert.Have shape and they are equipped according to each other. The round trip of the ultrasound signal on the first signal path 6 is marked by the two arrows.
Die erste Rächtungskomponente 25 des Ultraschallsignais auf dem ersten Signalpfad 6 zeigt in die Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3. Die dritte Richtungskomponente 27 des Uitraschallsignals auf dem zweiten Signalpfad 20 hingegen weist entgegen. Eine zweite Richtungskomponente 26 des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad 6 quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3 würde in die Zeächenebene hinein oder aus der Zeichenebene heraus zeigen.The first Rächtungskomponente 25 of the ultrasonic signal on the first signal path 6 points in the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3. The third direction component 27 of the Uitraschallsignals on the second signal path 20, however, opposes. A second directional component 26 of the ultrasonic signal on the first signal path 6 transversely to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3 would point into the plane of the plane or out of the plane of the drawing.
Der Deutlichkeit der nachfolgenden Zeichnungen geschuldet, wird auf eine separate Angabe von Richtungskomponenten verzichtet. Diese gehen aus den Zeichnungen jeweils klar hervor. Ist nur eine Richtung ersichtlich, so sind die weiteren erfindungsgemäßen Richtungen eines Ultraschallsignals deshalb nicht ausgeschlossen.Due to the clarity of the following drawings, a separate specification of directional components is dispensed with. These are clear from the drawings. If only one direction is visible, the further directions according to the invention of an ultrasonic signal are therefore not excluded.
In Fig. 2 fungiert das Messrohr 3 als zweite Koppelschicht 8. Das Messrohr 3 weist trapezförmige Aussparungen 21 in seiner Außenwandung 22 auf, welche z.B. mit einer Kunststoffmasse gefüllt sind. Die ausgefüllten Aussparungen 21 bilden die erste Koppeischicht 7. Auf der ersten Oberfläche 10 der ersten Koppeischächt 7 ist die piezoelektrische Folie 5 appliziert, welche auch hier wiederum nicht dargestellt ist. An der Grenzfläche zwischen erster Koppelschicht 7 und zweiter Koppelschicht 8, also an der Berührungsfläche zwischen der zweiten Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 und der ersten Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8, wird ein Ultraschallsignaf entsprechend der bekannten Begebenheiten abgelenkt bzw. gebrochen. Eine zweite Brechung findet an der zweiten Oberfläche 13 der zweiten Koppelschicht 8, der Rohrinnenwand 23, statt.2, the measuring tube 3 acts as a second coupling layer 8. The measuring tube 3 has trapezoidal recesses 21 in its outer wall 22, which are filled, for example, with a plastic compound. The filled recesses 21 form the first Koppeischicht 7. On the first surface 10 of the first Koppeischächt 7, the piezoelectric film 5 is applied, which again is not shown here. At the interface between first coupling layer 7 and second coupling layer 8, Thus, at the interface between the second surface 11 of the first coupling layer 7 and the first surface 12 of the second coupling layer 8, an ultrasound signal is deflected or refracted according to the known circumstances. A second refraction takes place on the second surface 13 of the second coupling layer 8, the tube inner wall 23.
Wie in Fig. 2, so sind, aus Gründen der Übersichtlichkeit, auch in den nachfolgenden Fig. 3 bis Fig. 6 nur die Ultraschallsignale vom piezoelektrischen Element weg, also die in die erste Koppelschicht 7 eingestrahlten Ultraschallsignale dargestellt. Die Ultraschalisignaie können dabei entweder an der Innenwand 23 des Messrohrs 3, auf weiche das Ultraschallsignal trifft, näherungsweise total reflektiert und zurück zum Ultraschallwandler 2 gelenkt werden, oder sie werden, wie in Fig. 2 angedeutet, analog zum Signaleintritt gebrochen, falls ein Ultraschallwandler 2 auf der der Einstrahlfläche gegenüberliegenden Seite des Messrohrs 3 angebracht ist.As in FIG. 2, for the sake of clarity, only the ultrasonic signals from the piezoelectric element, that is to say the ultrasonic signals irradiated into the first coupling layer 7, are also shown in the following FIGS. 3 to 6. The ultrasonic signals can either be totally reflected approximately at the inner wall 23 of the measuring tube 3, to which the ultrasonic signal impinges, and be directed back to the ultrasonic transducer 2, or they are, as indicated in FIG. 2, broken analogously to the signal entry, if an ultrasonic transducer 2 is mounted on the opposite side of the Einstrahlfläche the measuring tube 3.
Die Neigungswinkel der Oberflächen der Koppelschichten zum auftreffenden Ultraschallsignal sind nicht zwingend gleich dem Brechungswinkel des Ultraschallsignals. Dieser hängt von den Schallgeschwindigkeiten, u.a. des Messmediums ab. Dies ist ein großer Vorteil der Erfindung: übliche Clamp-On- Systeme müssen zueinander ausgerichtet werden, z.B. bei einer Änderung des Messmediums. Dieses System muss nicht neu ausgerichtet werden.The angles of inclination of the surfaces of the coupling layers to the incident ultrasonic signal are not necessarily equal to the refraction angle of the ultrasonic signal. This depends on the speed of sound, u.a. of the medium to be measured. This is a great advantage of the invention: conventional clamp-on systems must be aligned with each other, e.g. with a change of the measuring medium. This system does not have to be realigned.
In Fig. 3 ist ein Messrohr 3 mit einem, auf dessen Außenseite 22 angebrachten, Ultraschailwandler 2 dargestellt. Der Ultraschallwandler 2 besteht aus einer piezoelektrischen Folie 5 und zwei Koppelschichten 7, 8, wobei die piezoelektrische Folie 5 auf der ersten Koppelschicht 7 angebracht ist und die zweite Koppelschicht 8 auf dem Messrohr 3 angebracht ist. Die piezoelektrische Folie 5 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Ultraschallsignale treten im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 in die erste Koppelschicht 7 ein und aus der ersten Koppelschicht 7 aus. Hier ist wiederum nur der Eintritt also derFIG. 3 shows a measuring tube 3 with an ultrasound transducer 2 mounted on its outside 22. The ultrasonic transducer 2 consists of a piezoelectric film 5 and two coupling layers 7, 8, wherein the piezoelectric film 5 is mounted on the first coupling layer 7 and the second coupling layer 8 is mounted on the measuring tube 3. The piezoelectric film 5 is not shown for the sake of simplicity. The ultrasonic signals enter into the first coupling layer 7 substantially perpendicular to the first surface 10 of the first coupling layer 7 and out of the first coupling layer 7. Here again, only the entrance is so
Signalverlauf von der piezoelektrischen Folie 5 weg dargesteilt. Die Brechung an der Grenzschicht zwischen erster Koppelschächt 7 und zweiter Koppelschicht 8 wird dadurch beeinflusst, dass die Schallgeschwindigkeit in der ersten Koppelschicht 7 höher ist als in der zweiten Koppelschicht 8. In diesem Beispiel nimmt die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 im Wesentlichen die Form eines Faltenbalgs an. Da die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 trapezförmige Aussparungen 21 aufweist, weist die erste Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8 eine kongruente Erhöhung auf. Alleine betrachtet ist jedoch die erste Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8 ebenfalls mit trapezförmigen Aussparungen 21 versehen. Die beiden Oberflächen 10, 11 sind als positiv und negativ zueinander zu betrachten.Signal waveform of the piezoelectric film 5 dargesteilt away. The refraction at the boundary layer between the first coupling sheath 7 and the second coupling layer 8 is influenced by the fact that the speed of sound in the first coupling layer 7 is higher than in the second coupling layer 8. In this example, the second surface 11 of the first coupling layer 7 assumes substantially the shape of a bellows. Since the second surface 11 of the first coupling layer 7 has trapezoidal recesses 21, the first surface 12 of the second coupling layer 8 has a congruent increase. Alone considered, however, the first surface 12 of the second coupling layer 8 is also provided with trapezoidal recesses 21. The two surfaces 10, 11 are to be regarded as positive and negative to each other.
In Fig. 4 sind die Schallgeschwindigkeiten in den Koppelschichten 7 und 8 gerade umgekehrt.In Fig. 4, the sound velocities in the coupling layers 7 and 8 are just reversed.
Fig. 5 zeigt einen Ultraschallwandler mit sägezahnförmigen Aussparungen 21. Die Aussparungen 21 in der ersten Koppelschicht 7 werden von der zweiten Koppelschicht 8 vollständig ausgefüllt. Dabei entstehen in jeder Aussparung 21 zwei Grenzflächen zwischen den Koppelschichten 7 und 8, im Querschnitt durch die sägezahnförmige Aussparung 21 sind das eine kürzere und eine längere. Der Vorteil der Ausgestaltung der trapezförmigen Aussparungen 21 in Sägezahnform besteht darin, dass die von der piezoelektrischen Foiie 5 eingestrahlten Ultraschallsignale, welche paraliei zueinander und in einer gemeinsamen gedachten Axiaiebene 19 verlaufen, an den Grenzflächen der Koppelschichten 7 und 8 unterschiedlich abgelenkt werden, da die Ultraschallsignale in unterschiedlichen Winkeln auf die kürzere und die längere Grenzfläche treffen. Dadurch kann, wie gezeigt, ein Teil des Ultraschallsignais in einem bestimmten Winkel in einer Richtung in das Messmedäum 4 eingestrahlt werden, wobei ein anderer, insbesondere ein sehr kleiner, Teil des Ultraschallsignals an einer Grenzfläche, hier an der kürzeren, so abgelenkt wird, dass das Signal aus dem Ultraschallwandler 2 herausgeleitet wird, ohne dass es das Messmedium 4 durchläuft. Allerdings geht dabei ein Teil der Signalenergie verloren. Die Materialen der Koppelschichten 7 und 8 sind entsprechend ihrer akustischen Eigenschaften, wie. z.B. ihrer akustischen Impedanz oder ihrer Schallgeschwindigkeit, ausgewählt.5 shows an ultrasonic transducer with sawtooth-shaped recesses 21. The recesses 21 in the first coupling layer 7 are completely filled by the second coupling layer 8. In this case, in each recess 21, two interfaces between the coupling layers 7 and 8, in cross-section through the sawtooth-shaped recess 21, which are a shorter and a longer. The advantage of the embodiment of the trapezoidal recesses 21 in sawtooth form is that the ultrasonic signals radiated by the piezoelectric film 5, which run parallel to each other and in a common imaginary axial plane 19, are deflected differently at the interfaces of the coupling layers 7 and 8, since the ultrasonic signals hit the shorter and longer interfaces at different angles. As a result, as shown, a part of the ultrasound signal can be radiated into the measuring mandrel 4 at a certain angle in one direction, wherein another, in particular a very small, part of the ultrasound signal is deflected at an interface, here at the shorter, such that the signal is passed out of the ultrasonic transducer 2, without it passes through the measuring medium 4. However, part of the signal energy is lost. The materials of the coupling layers 7 and 8 are according to their acoustic properties, such as. e.g. their acoustic impedance or their speed of sound.
In dieser Darstellung ist der Ultraschallwandler 2 auf der Außenwand 22 des Messrohrs 3 angebracht. Er nimmt näherungsweise die Gestalt des Messrohrs 3 bzw. die Form der Außenwand 22 zumindest teilweise an, hier nimmt der Uitraschalfwandler 2 die Form einer einfach gekrümmten Schale an.In this illustration, the ultrasonic transducer 2 is mounted on the outer wall 22 of the measuring tube 3. He takes approximately the shape of the measuring tube 3 and the shape of the outer wall 22 at least partially, here the Uitraschalfwandler 2 takes the form of a simply curved shell.
Fig. 6 offenbart die Teüquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 2. Der Ultraschallwandler 2 besteht aus einer nicht gezeigten piezoelektrischen Folie 5 und einem Koppelelement zwischen Messrohr 3 und Piezo 5 aus zwei Koppelschichten. Die trapezförmigen Aussparungen 21 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Rohrachse 16 in der dem Messmedium 4 zugewandten Seite der ersten Koppelschicht 7. Die zweite Koppelschicht 8 befindet sich zwischen Messrohr 3 und erster Koppeischicht 7 und füilt die Aussparungen 21 in der ersten Koppelschicht 7 komplett aus. Dadurch werden die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 eintretenden und im Wesentlichen in einer gedachten Radialebene verlaufenden Ultraschallsignale in einem Winkel zu einer gedachten Axiaiebene, also senkrecht auf die Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3, entsprechend den bekannten Begebenheiten abgelenkt.Fig. 6 discloses the Teüquerschnittsansicht an ultrasonic transducer according to the invention 2. The ultrasonic transducer 2 consists of a piezoelectric film 5, not shown, and a coupling element between the measuring tube 3 and piezo 5 of two coupling layers. The trapezoidal recesses 21 extend substantially parallel to the tube axis 16 in the side of the first coupling layer 7 facing the measuring medium 4. The second coupling layer 8 is located between measuring tube 3 and first coupling layer 7 and completely fills the recesses 21 in the first coupling layer 7. As a result, the ultrasonic signals entering substantially perpendicularly to the first surface 10 of the first coupling layer 7 and extending essentially in an imaginary radial plane are deflected at an angle to an imaginary axial plane, ie perpendicular to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3, in accordance with the known circumstances.
Der Ultraschallwandler 2 ist um den kompletten Messrohrumfang angebracht. Brechungen des Ultraschallsignals sind wiederum an der Innenwand 23 des Messrohrs 3 oder an den Flächen der Aussparungen 21 des Uitraschallwandlers 2 möglich.The ultrasonic transducer 2 is mounted around the entire measuring tube circumference. Refractions of the ultrasonic signal are in turn possible on the inner wall 23 of the measuring tube 3 or on the surfaces of the recesses 21 of the Uitraschallwandlers 2.
In Fig. 7 ist perspektivisch eine Koppelschicht 7 dargestellt Auf beiden Seiten der Koppeischicht, also sowohl auf ihrer ersten Oberfläche 10, als auch auf ihrer zweiten Oberfläche 11 , sind dreieckförmige Aussparungen 21 angebracht. Die Aussparungen 21 bilden Rillen. Die Rillen auf der ersten Seite stehen lotrecht auf den Rillen der zweiten Seite.In Fig. 7, a coupling layer 7 is shown in perspective on both sides of the Koppeischicht, ie both on its first surface 10, as well as on its second surface 11, triangular recesses 21 are attached. The recesses 21 form grooves. The grooves on the first side are perpendicular to the grooves of the second side.
Fig. 8 zeigt dagegen eine Koppelschicht 7 mit nur in eine Oberfläche 10 eingebrachten Aussparungen 21. Wird diese Koppelschicht 7 um ein nicht gezeigtes Messrohr 3 gelegt, so besitzen die aus den Aussparungen 21 gebildeten Rillen einen Winkel zur Rohrachse 16 bzw. zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3 einen Winkel von ca. 45°. Zu realisieren sind solche Rillen durch einfaches Gewindeschneiden, z.B. in die Innenwand 23 des Messrohrs 3. in Fig. 9 und Fig. 10 sind Längs- und Querschnitte erfindungsgemäßer Messsysteme gezeigt. Jeweils der volle Querschnitt des Messrohrs 3 wird von Ultraschallsignalen durchschallt. Der Ultraschallwandier bedeckt dabei in Fig. 10 nur die halbe Außenwand 24 des Messrohrs 3, wobei in Fig. 9 der volle Messrohrumfang bedeckt ist. Dies ist durch die unterschiedliche Brechung der Uitraschallsignale gegeben. In Fig. 9 wird das Ultraschallsignal nicht an der Messrohrinnenwand 23 oder an den Grenzflächen der Koppelschichten 7, 8 gebrochen und erreicht somit auf den elektromechanischen Wandler 5, der seinerseits das empfangene Signal wandelt. In Fig. 10 hingegen wird das Ultraschallsignal zum elektromechanischen Wandler 5 zurück reflektiert, der dann die Signale weiterverarbeitet. Dabei zeigen Fig. 9b und Fig. 10b die Querschnitte zu den in Fig. 9a und Fig. 10a gezeichneten Längsschnitten. Zu sehen ist der Grad der Abdeckung der Rohre 3 von den Ultraschallwandlern 2. In Fig. 10a ist der Signalverlauf bei Reflektion an der Messrohraußenwand angedeutet.On the other hand, FIG. 8 shows a coupling layer 7 with recesses 21 introduced only into a surface 10. If this coupling layer 7 is placed around a measuring tube 3, not shown, the grooves formed by the recesses 21 have an angle to the tube axis 16 or to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3 an angle of about 45 °. To realize such grooves by simply tapping, for example in the inner wall 23 of the measuring tube. 3 FIGS. 9 and 10 show longitudinal and cross sections of measuring systems according to the invention. In each case the full cross-section of the measuring tube 3 is penetrated by ultrasonic signals. In FIG. 10, the ultrasonic transducer covers only half the outer wall 24 of the measuring tube 3, wherein in FIG. 9 the full measuring tube circumference is covered. This is given by the different refraction of the Uitraschallsignale. In Fig. 9, the ultrasonic signal is not refracted at the measuring tube inner wall 23 or at the interfaces of the coupling layers 7, 8 and thus reaches the electromechanical transducer 5, which in turn converts the received signal. In contrast, in FIG. 10, the ultrasound signal is reflected back to the electromechanical transducer 5, which then processes the signals further. 9b and 10b show the cross sections of the longitudinal sections drawn in FIGS. 9a and 10a. The degree of coverage of the tubes 3 by the ultrasonic transducers 2 can be seen. FIG. 10a shows the signal course upon reflection at the measuring tube outer wall.
Die Fig. 11 und Fig. 12 zeigen ebenfalls Längsschnitte eines Messsystems 1. In Fig. 11 sind zwei Ultraschallwandler 2 auf einem Messrohr 3 angebracht. Beide Wandler 2 senden Ultraschaüsignale in Richtung des jeweils anderen Wandlers. Der Eine sendet also stromaufwärts, der Andere stromabwärts. Empfangen wird das Signal des jeweils anderen Ultraschallwandlers 2. Dafür ist ein asymmetrisches Profil der Aussparungen 21 von Vorteil.FIGS. 11 and 12 likewise show longitudinal sections of a measuring system 1. In FIG. 11, two ultrasonic transducers 2 are mounted on a measuring tube 3. Both transducers 2 send ultrasonic signals in the direction of the other converter. So one sends upstream, the other downstream. Received is the signal of the other ultrasonic transducer 2. For an asymmetric profile of the recesses 21 is advantageous.
Fig. 12 zeigt drei Uitraschailwandler 2 in einer Reihe. Der mittlere Ultraschallwandler 2 dient dabei als Sender, die beiden anderen sind einzig als Empfänger eingesetzt. Der Sender sendet sowohl in a!s auch entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3.Fig. 12 shows three Uitraschailwandler 2 in a row. The middle ultrasonic transducer 2 serves as a transmitter, the other two are used only as a receiver. The transmitter transmits both in a! S and counter to the main flow direction of the measuring medium 4 in the measuring tube 3.
Der in Fig. 13 dargestellte Querschnitt kann sowohl von einem Messsystem mit einem Ultraschallwandler 2, als auch mit mehreren Ultraschallwandlern 2 in Reihe stammen. Der Bereich des Messmediums 4 im Messrohr 3, welches von Ultraschallsignalen durchschallt wird ist schraffiert dargestellt. Das Messsystem ist, wie hier schön zu sehen, im Gegensatz zum Stand der Technik sehr flach. Es ist somit vergleichsweise weniger häufig und wesentlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt.The cross section illustrated in FIG. 13 can originate both from a measuring system with an ultrasonic transducer 2, as well as with a plurality of ultrasonic transducers 2 in series. The region of the measuring medium 4 in the measuring tube 3, which is penetrated by ultrasonic signals is shown hatched. The measuring system is, as can be seen here, very flat in contrast to the prior art. It is thus comparatively less frequently and exposed to much lower mechanical loads.
In Fig. 14 ist ein erfindungsgemäßer UltraschaNwandler 2 abgebildet. Das elektromechanische Wandlereiement 5 ist auf einer ersten Koppelschicht 7 appliziert. Eine Zweite Koppelschicht 8 steht in Kontakt zur ersten Koppelschicht 7 und zur Außenwand 22 des Messrohrs 3. Ein Messmedäum 4 befindet sind im Innern des Messrohrs 3. Auf der Detailzeichnung einer dreieckförmigen Aussparung 21 sind einzelne Signalpfade 6 zu sehen, auf denen sich Ultraschallsignale modeühaft ausbreiten. Die Signaipfade 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander und näherungsweise parallei zu einer Oberfläche bzw. zu einer Seite der im Querschnitt dreieckförmigen Aussparung 21. Dadurch wird erreicht, dass ein Verlust an Signalenergie durch Brechungen sehr gering ist. Über die gesamte Fläche 13 werden die Ultraschallsignale von der Koppelschtcht 8 abgestrahlt. Sind die Signalpfade nicht parallel zu einer Seitenfläche der dreieckförmigen Aussparung 21 , kommt es zu einer Signallücke und somit zum Verlust an Signalenergie.FIG. 14 shows an ultrasound converter 2 according to the invention. The electromechanical Wandlereiement 5 is applied to a first coupling layer 7. A second coupling layer 8 is in contact with the first coupling layer 7 and the outer wall 22 of the measuring tube 3. A Meßmedäum 4 are located in the interior of the measuring tube 3. On the detailed drawing of a triangular recess 21 are individual signal paths to see 6, on which propagate ultrasound signals modeühaft , The signal paths 6 are substantially parallel to one another and approximately parallel to a surface or to a side of the triangular-shaped recess 21 in cross-section. This ensures that a loss of signal energy due to refraction is very small. Over the entire surface 13, the ultrasonic signals are emitted from the coupling element 8. If the signal paths are not parallel to a side surface of the triangular-shaped recess 21, there is a signal gap and thus a loss of signal energy.
Fig. 15 zeigt ein Ultraschallwandlerarray aus zwei in einander greifenden UltraschaNwandlereiementen 5, 5'. Die Ultraschallwandlerelemente 5, 5' können dabei auch aus einer einzelnen Folie mit in bestimmten Abständen zueinander aufgebrachten, z.B. aufgesputterten, Elektroden bestehen. Bevorzugt sind sie, wie hier gezeigt, über einer dreieckförmigen Aussparung 21 angeordnet und sie decken jeweils eine ablenkende Seite des Dreiecks ab. Fig. 15 shows an ultrasonic transducer array of two interdigitated ultrasonic wall elements 5, 5 '. In this case, the ultrasound transducer elements 5, 5 'can also consist of a single foil with electrodes applied at specific intervals to one another, for example sputtered on. Preferably, as shown here, they are arranged over a triangular-shaped recess 21 and they each cover a deflecting side of the triangle.
BezυgszeichenüsteBezυgszeichenüste
I Durchfluss-Messsystem 2 UltraschaliwandJerI Flow measuring system 2 Ultrasonic wallJer
3 Messrohr3 measuring tube
4 Messmedium4 measuring medium
5 Piezoelektrische Folie5 Piezoelectric foil
6 Erster Ultraschall-Signalpfad 7 Erste Koppelschicht6 First ultrasonic signal path 7 First coupling layer
8 Zweite Koppelschicht8 second coupling layer
9 Dritte Koppeischicht9 Third Koppeischicht
10 Erste Oberfläche der ersten Koppeischicht10 First surface of the first coupling layer
I 1 Zweite Oberfläche der ersten Koppelschicht 12 Erste Oberfläche der zweiten KoppeischichtI 1 Second surface of the first coupling layer 12 First surface of the second coupling layer
13 Zweite Oberfläche der zweiten Koppelschicht13 second surface of the second coupling layer
14 Erste Oberfläche der dritten Koppelschicht14 First surface of the third coupling layer
15 Zweite Oberfläche der dritten Koppelschicht15 Second surface of the third coupling layer
16 Rohrachse 17 Tangentialebene16 tube axis 17 Tangential plane
18 Radialebene18 radial plane
19 Axialebene19 axial plane
20 Zweiter Ultraschali-Signalpfad20 Second ultrasound signal path
21 Trapezförmige Aussparung 22 Außenwand des Messrohrs21 Trapezoidal recess 22 Outside wall of the measuring tube
23 Innenwand des Messrohrs23 Inner wall of the measuring tube
24 Zweiter Ultraschail-Signaipfad24 Second ultrasound signal path
25 Erste Richtungskomponente des Ultraschalisignals25 First Directional Component of the Ultrasonic Signal
26 Zweite Richtungskomponente des Ultraschallsignals 27 Dritte Richtungskomponente des Ultraschallsignals 26 Second Directional Component of the Ultrasound Signal 27 Third directional component of the ultrasound signal

Claims

Patentansprüche claims
1. Messsystem (1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (4) durch ein Messrohr (3) mit mindestens einem1. Measuring system (1) for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium (4) through a measuring tube (3) with at least one
Ultraschallwandler (2) und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignaie bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr (3) strömenden Messmediums (4) ermittelt, wobei der Uitraschallwandler (2) mindestens ein elektromechanisches WandlerelementUltrasonic transducer (2) and with at least one control / evaluation unit, which based on the Messsignaie or based on measurement data, which are derived from the measurement signals, the volume and / or the mass flow of in the measuring tube (3) flowing measuring medium (4) determined, wherein the Uitraschallwandler (2) at least one electromechanical transducer element
(5) aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht (7) im Bereich zwischen eiektromechanischem Wandlerelement (5) und Messmedium (4), welche Koppelschicht (7) die Ultraschalisignale leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) mit dem Messrohr (3) akustisch koppelbar und dass der Ultraschallwandler (2) so ausgestaltet ist, dass der UltraschaÜwandler (2) an die jeweilige Form der Innen- und/oder Außenwand des Messrohrs (3) zumindest teilweise anpassbar ist.(5), which transmits and / or receives ultrasonic signals, and with at least one coupling layer (7) in the region between electromechanical transducer element (5) and measuring medium (4), which coupling layer (7) conducts the ultrasonic signals, characterized in that the ultrasonic transducer (2) acoustically coupled to the measuring tube (3) and that the ultrasonic transducer (2) is designed so that the ultrasonic transducer (2) is at least partially adapted to the respective shape of the inner and / or outer wall of the measuring tube (3).
2. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das eSektromechanische Wandlerelement (5) flexibel ist.2. measuring system (1) according to claim 1, characterized in that the eSektromechanische transducer element (5) is flexible.
3. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandierelement (5) eine Folie ist.3. Measuring system (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the electromechanical Wandierelement (5) is a film.
4. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (5) auf einer ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) applizierbar ist und das Ultraschailsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) in dio orste Oberfläche (10) der KoppeSschicht (7) eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) austritt und die Koppetschicht (7) das UltraschaNsignal zumindest anteilig so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente (25) des Ultraschallsignals in oder entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums (4) im Messrohr (3) zeigt und/oder dass eine zweite Richtungskomponente (26) des Uitraschalisignals senkrecht zur4. Measuring system (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electromechanical transducer element (5) on a first surface (10) of the coupling layer (7) can be applied and the ultrasound signal substantially perpendicular to the first surface (10). the coupling layer (7) enters the surface of the coupling (10) of the coupling layer (7) and / or from the first Surface (10) of the coupling layer (7) emerges and the Koppetschicht (7) the UltraschallaNsignal at least partially deflects so that a first direction component (25) of the ultrasonic signal in or against the flow direction of the measuring medium (4) in the measuring tube (3) shows and / or that a second directional component (26) of the Uitraschalisignals perpendicular to
Strömungsrichtung des Messmediums (4) im Messrohr (3) steht.Flow direction of the measuring medium (4) in the measuring tube (3) is.
5. Messsystem (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtungskomponente (26) des Ultraschallsignals im5. measuring system (1) according to claim 4, characterized in that the second direction component (26) of the ultrasonic signal in
Wesentlichen senkrecht auf der Eintritts- bzw. Austrittsrichtung des Ultraschallsignals in bzw. aus der ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) steht.Substantially perpendicular to the entry or exit direction of the ultrasonic signal in or out of the first surface (10) of the coupling layer (7).
6. Messsystem (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (5) auf einer ersten Oberfläche (10) der Koppelschächt (7) apptizierbar ist und das Ultraschailsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) in die erste Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) eintritt und/oder aus der ersten6. Measuring system (1) according to claim 4 or 5, characterized in that the electromechanical transducer element (5) on a first surface (10) of the coupling shaft (7) is apptizierbar and the ultrasound signal substantially perpendicular to the first surface (10) of the coupling layer (7) enters the first surface (10) of the coupling layer (7) and / or from the first
Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) austritt und die Koppelschicht (7) das Ultraschallsignal auf zwei Signalpfade so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente (25) des Ultraschallsignals auf einem ersten Signalpfad (6) in und eine dritte Richtungskomponente (27) des Ultraschallsignals auf einem zweiten Signalpfad (24) entgegen der Strömungsrichtung desSurface (10) of the coupling layer (7) emerges and the coupling layer (7) deflects the ultrasonic signal on two signal paths so that a first direction component (25) of the ultrasonic signal on a first signal path (6) and a third direction component (27) of the ultrasonic signal on a second signal path (24) counter to the flow direction of
Messmediums (4) im Messrohr (3) zeigt.Measuring medium (4) in the measuring tube (3) shows.
7. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeischicht (7) mindestens eine Aussparung (21 ) aufweist, welche7. Measuring system (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Koppeischicht (7) has at least one recess (21), which
Aussparung (21 ) einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt aufweist.Recess (21) has an approximately trapezoidal cross-section.
8. Messsystem (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (21 ) eine Rille bildet.8. Measuring system (1) according to claim 7, characterized the recess (21) forms a groove.
9. Messsystem (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse verläuft.9. measuring system (1) according to claim 8, characterized in that the groove extends at an angle of 0 ° to 90 ° to the tube axis.
l O. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (21 ) näherungsweise gleichmäßig über die Fläche der Koppelschicht angeordnet sind.1 O. Measuring system (1) according to one of claims 7 to 9, characterized in that recesses (21) are arranged approximately uniformly over the surface of the coupling layer.
11. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21 ) auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Koppelschicht (7) eingebracht sind.11. Measuring system (1) according to one of claims 7 to 10, characterized in that the recesses (21) on two opposite sides of the coupling layer (7) are introduced.
12. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21 ) integraier Bestandteil des Messrohrs (3) sind.12. Measuring system (1) according to one of claims 7 to 11, characterized in that the recesses (21) integraier part of the measuring tube (3).
13. Messsystem (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (3) ein Gewinde in seiner Innenwandung (23) und/oder Außenwandung (22) aufweist.13. Measuring system (1) according to claim 12, characterized in that the measuring tube (3) has a thread in its inner wall (23) and / or outer wall (22).
14. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21 ) dreieckförmig sind, wobei eine Seite der dreieckförmigen Aussparung (21 ) im Wesentlichen parallel zu zumindest einer Ausbreitungsrichtung (6) des Ultraschallsignals ist.14. Measuring system (1) according to one of claims 7 to 13, characterized in that the recesses (21) are triangular, wherein one side of the triangular recess (21) is substantially parallel to at least one propagation direction (6) of the ultrasonic signal.
15. Messsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (1 ) den Durchfiuss des Messmediums (4) durch das Messrohr (3) mit dem Laufzeitdifferenzverfahren oder dem Dopplerverfahren bestimmt und/oder überwacht. 15. Measuring system (1) according to one of claims 7 to 14, characterized the measuring system (1) determines and / or monitors the flow through the measuring medium (4) through the measuring tube (3) using the transit time difference method or the Doppler method.
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