EP2496915A1 - Ultraschallströmungssensor zum einsatz in einem fluiden medium - Google Patents

Ultraschallströmungssensor zum einsatz in einem fluiden medium

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Publication number
EP2496915A1
EP2496915A1 EP10755185A EP10755185A EP2496915A1 EP 2496915 A1 EP2496915 A1 EP 2496915A1 EP 10755185 A EP10755185 A EP 10755185A EP 10755185 A EP10755185 A EP 10755185A EP 2496915 A1 EP2496915 A1 EP 2496915A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
deflection
flow
deflection device
flow sensor
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Withdrawn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
EP10755185A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Lang
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2496915A1 publication Critical patent/EP2496915A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

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

Definitions

  • a plurality of flow sensors for detecting the flow of a fluid medium are known.
  • Such ultrasonic flow sensors detect, for example, a mass flow, a volume flow or a speed of the fluid medium, for example in a flow tube.
  • usually two or more ultrasonic transducers are used, which are arranged offset from each other along the flow of the fluid medium in the flow and can send each other ultrasonic signals. From runtime differences between the ultrasound signals with a component in the flow direction and with a component counter to the flow direction, it is then possible to deduce the flow velocity and / or other variables characterizing the flow.
  • This document discloses an ultrasonic flowmeter with a multiple reflection of the ultrasonic signals between the ultrasonic transducers. This results in a W-shaped ultrasonic path in the measuring tube, which offers the advantage of a longer sound path and a wall-mounted transducer mounting.
  • reflection surfaces which are repeatedly required in DE 39 41 544 A1
  • the reflection surfaces which are required to be threefold in the described construction, are sensitive to vibrations, can influence the flow conditions, are susceptible to about contamination and the associated changes in reflectivity or thermal distortion.
  • an ultrasonic flow sensor which at least largely avoids the disadvantages of known ultrasonic flow sensors.
  • the ultrasonic flow sensor is based on a reflection principle but provides a unique ultrasonic transmission path.
  • the ultrasonic flow sensor is adapted for use in a fluid medium.
  • this fluid medium can flow through a flow tube, the component of which may be, for example, a measuring tube which is introduced into the flow tube and / or is part of the flow tube.
  • the ultrasonic flow sensor can be used in particular in the motor vehicle sector, for example in motor vehicle internal combustion engines, in particular in their fresh air tract, in particular after a turbocharger, in particular in the commercial vehicle sector.
  • Alternative fields of application are, for example, sensors for gases or liquids, for example in process engineering, e.g. in process control, applications as distance sensors, as level sensors, as flow sensors in the chemical and pharmaceutical industry, as sensors in the
  • Medical technology for example in respiratory gas monitoring, or applications in power engineering, for example as a heat meter in power plants or in the home.
  • the ultrasonic flow sensor comprises at least two ultrasonic transducers arranged longitudinally to a flow of the fluid medium in a flow tube of the fluid medium.
  • the ultrasonic transducers may be wholly or partially embedded in the wall of a measuring tube of the flow tube, that is, for example, a portion of the flow tube or a separately inserted into the flow tube measuring tube.
  • the ultrasonic transducers can also be accommodated in a housing part, which is attached as plug-in sensor on the actual flow tube or measuring tube or inserted into this.
  • a wall of the housing part can also be understood as part of the flow tube or of the measuring tube.
  • An arrangement staggered along the direction of the flow is understood to mean an arrangement in which one of the ultrasonic transducers is arranged upstream of the other, the arrangement being exactly in the flow direction can take place or also, as will be explained below, offset from one another transversely to the flow direction.
  • an ultrasound transducer is generally understood to mean a device which is capable of converting electrical signals into ultrasound signals and / or vice versa.
  • an ultrasonic transducer may comprise at least one transducer core, in which at least one electrical-acoustic transducer element is accommodated.
  • An example of such an electrical-acoustic transducer element is a piezoelectric element.
  • other electrical-acoustic transducer elements are used.
  • the ultrasonic flow sensor further comprises a reflection surface.
  • a reflection surface is to be understood as meaning an area which is set up to completely or partially reflect ultrasound signals.
  • this reflection surface may be part of the flow tube, for example part of the measuring tube, or else be introduced separately into the measuring tube, for example as a reflection surface, which is arranged within the flow of the fluid medium.
  • the reflection surface can also be attached to a housing part, which also accommodates the ultrasonic transducer and which is attached as plug-in sensor on the actual flow tube or measuring tube or inserted into this.
  • the ultrasonic transducers are set up to transmit ultrasonic signals to each other via simple reflection at the reflection surface.
  • a V-shaped course of the ultrasonic signals between the ultrasonic transducers is provided as a preferred propagation path.
  • the ultrasonic transducers can also be installed in such a way that they are slightly tilted with respect to the ideal V-shaped course, as a result of which, for example, a provision against jet drifts can be given under flow and / or multiple reflections between the two converter surfaces can be reduced.
  • a deflection device is provided between the ultrasonic transducers.
  • This deflection device may, for example, as will be explained in more detail below, be part of a measuring tube and / or a measuring tube wall into which the ultrasonic transducers are inserted.
  • the deflection device is designed to substantially suppress parasitic ultrasonic signals reflected from the reflection surface and impinging on the deflection device by deflection away from the ultrasonic transducers.
  • the deflection device is set up in order, for example, to have W-shaped signal paths or other signal paths with multiple reflection, including the
  • a suppression "essentially” is to be understood as a suppression in which the sound energy of the parasitic ultrasound signals is at least 30%, preferably at least 30%, compared to an arrangement without a deflection device, for example compared to a smooth measuring tube surface between the ultrasound transducers at least 50% and more preferably at least 80% or even at least 90% is suppressed.
  • the deflection device may in particular be arranged at least in a middle third of a connecting path between the ultrasonic transducers. However, the deflection device may also extend over the entire distance between the ultrasonic transducers or over another part of this distance. Particularly preferably, the deflection device is arranged substantially symmetrically to the ultrasonic transducers in order to suppress in particular W-shaped signal waveforms.
  • the deflection device should preferably be formed on a macroscopic scale. This means that the deflecting device preferably protrudes into and / or out of the measuring tube surface at its greatest elevation and / or depression by an amount which is greater than the wavelength of the ultrasonic signals, for example greater than 0.1 mm , in particular greater than 0.5 mm, preferably greater than 1, 0 mm particularly preferably greater than 2.0 mm or even greater than 4.0 mm. Alternatively or additionally, however, the deflection device may also comprise one or more structures on a scale which is smaller than said macroscopic scale. Thus, the deflecting device, alternatively or preferably in addition to macroscopic structures, roughnesses include.
  • the deflection device has coarse structures. These may relate, for example, to a size scale down to the ultrasonic wavelength in the fluid medium. For example, at a sound velocity of 340 m / s in air at room temperature and a frequency of 340 kHz, this results in an ultrasonic wavelength of 1 mm.
  • the deflection device may in particular comprise at least one deflection surface, preferably at least two or more deflection surfaces.
  • a deflecting surface is to be understood as an area which has at least partially reflective and / or absorbing properties for ultrasound signals and is set up in order to ensure the deflection of ultrasound waves in accordance with the function of the deflecting device.
  • a larger number of deflection surfaces is possible, for example, a number of four deflection surfaces, as they arise, for example, in a prismatic or pyramidal configuration of the deflection.
  • the deflection devices can be flat or curved. Various examples are given below.
  • the at least one deflection surface can be inclined in particular with respect to the reflection surface.
  • the at least one deflecting surface may in particular comprise at least one deflecting surface inclined with respect to a connecting line between the ultrasonic transducers.
  • the at least one deflecting surface may in particular comprise at least one deflecting surface inclined with respect to a connecting line between the ultrasonic transducers.
  • Deflecting surface be designed such that a base line of this deflection surface, in which the deflection surface intersects a spanned by the flow direction of the fluid medium and the connecting line between the ultrasonic transducers level is arranged at a different angle to the connecting line between the ultrasonic transducers 90 °, for example below an angle of 0 ° to 70 ° and / or at an angle of 1 10 ° to 180 °.
  • the at least one deflecting surface may comprise a normal vector which is not parallel or antiparallel to the plane perpendicular to the reflecting surface, which includes the connecting line between the ultrasonic transducers. In this way, it can be ensured, for example, that ultrasound signals are emitted from a surface which is reflective to the reflection surface. right level, which includes the connecting line between the ultrasonic transducers, are reflected out.
  • the surface normals of the deflection surfaces may include an angle, in particular also with a surface normal of the reflection surface, which on average over the magnitude of this angle is greater than 10 °, preferably greater than 15 °, particularly preferably greater than 20 °.
  • the deflection device can be partially formed by a measuring tube surface between the ultrasonic transducers.
  • the measuring tube surface between the ultrasound transducers can be divisible into three surface areas in the direction of a connecting line between the ultrasound transducers.
  • An extension of the three surface areas longitudinally and transversely to the connecting line can in each case amount to approximately one third of the length of the connecting line.
  • An angle averaged over the middle of these three surface areas between a surface normal of the reflection surface and the surface normals of the measuring tube surface can preferably be selected to be greater than 10 °, in particular greater than 15 ° and particularly preferably greater than 20 °.
  • the deflection device may have at least one shape which is selected from one of the following shapes: a roof shape; a pyramid shape; a roof shape with curved roof surfaces as deflection surfaces; a pyramidal shape with curved pyramidal surfaces as baffles; a pyramidal shape with convex or concave cylindrical surfaces as baffles; a tip projecting into the flow; a sawtooth shape; a waveform; a knobbed shape; a dimple shape; a humpback shape; a step shape; a rib shape; one at least one of the aforementioned forms inverse form, e.g. through a negative imprint of this
  • Combinations of said shapes and / or other shapes may also be provided.
  • several such forms can be strung together or combined.
  • several pyramid shapes can be strung together, for example, to a waffle pattern. If several pyramid shapes are aligned in one or two directions, it is particularly preferred if the baselines of these pyramids run at an angle other than 0 ° and 90 ° to a connecting line between the ultrasonic transducers.
  • the baselines may extend at an angle of 20 ° to 70 ° and / or at an angle of 1 10 ° to 160 ° to the bond line.
  • the above-mentioned forms can in particular be designed as a coarse structure, in the sense of the above definition. bread.
  • one or more of the forms mentioned can also be formed as a fine structure, for example on a deflection surface.
  • coarse structures and fine structures can be combined with one another, for example by one or more surfaces of a coarse structure, for example one or more deflection surfaces, being substructured by one or more fine structures.
  • the deflection device may have at least one, preferably at least two or more deflection surfaces. These deflecting surfaces may in particular have a substructuring and / or a fine structure.
  • a fine structure here means a structuring on the size scale described above, for example a substructuring of the at least one deflection surface.
  • the deflection surface can define a coarse structure in its entire course or be part of a coarse structure, wherein the at least one deflection surface is then subdivided into a plurality of subareas, preferably by the fine structure or by another type of substructuring, for example at least one smaller coarse structure.
  • This substructuring may in particular have a depth which lies in the range of less than 5 wavelengths of the ultrasonic waves in the fluid medium, preferably in the range of less than 2 wavelengths and more preferably of less than one wavelength. for example in the region of a quarter wavelength.
  • the substructuring may in particular comprise one or more of the following structures: a plurality of ribs; a plurality of grooves; a grid; a substructure having a plurality of surfaces; a UnterDeutschtechnik with a plurality of forms of the type mentioned above.
  • the ultrasonic transducers may also be offset from each other transversely to the flow of the fluid medium. In this way, it is possible, for example, to prevent flow irregularities, which are generated by an upstream ultrasonic transducer, from influencing a downstream ultrasonic transducer.
  • the deflection device comprise at least one reflection barrier.
  • a reflection barrier is to be understood as a barrier, which differs from the Measuring tube surface from comparatively steeply extending into the flow of the fluid medium.
  • this reflection barrier can be designed in the form of a lamella.
  • the reflection barrier can cut a connecting line between the ultrasonic transducers in the middle third, preferably at half.
  • the reflection barrier may be configured such that it comprises a lamella having the following properties: First, the lamella has a main extension direction with a non-vanishing vector component transverse to the direct connection line between the ultrasound transducers, so that sound waves from an ultrasound transducer are transmitted via a first reflection the reflecting surface does not pass to one another more than one or more reflections on the deflecting device and a second reflection on the reflecting surface to the other transducer, but rather reflects back or tends to be reflected laterally away. Because of the offset transversely to the flow direction of the arrangement of the ultrasonic transducer, the blade may be arranged, alternatively or additionally, parallel or substantially parallel to the flow direction, so that the blade does not interfere with the flow guidance.
  • the corresponding structure depth can be selected to be correspondingly greater without disturbing the flow guidance, so that a barrier with right-angles to the W-shaped sound profile can be realized.
  • the deflection device may comprise at least two deflection surfaces, as stated above.
  • these baffles may intersect in a roof shape in a cut line.
  • the cutting line can be arranged in particular at an angle different from 90 ° to a connecting line between the ultrasonic transducers, whereby otherwise W-shaped sound courses are not only reduced or eliminated by the roof inclination of the deflecting surfaces, but the sound is reflected out of the plane that perpendicular to the reflecting surface and parallel to the connecting line between the ultrasound transducers.
  • This plane is usually identical to the plane spanned by the main components of the useful signals or also by the W-shaped components in the case of a missing deflection device.
  • the angle deviating from 90 ° between the intersecting line of the deflecting surfaces and the connecting line between the ultrasonic transducers is furthermore to be regarded as synonymous with the property that the normal vectors of the deflecting surfaces are not parallel to that through the main axis. are parts of the useful signals spanned level.
  • an angle of less than 80 ° may be provided, for example an angle of less than 70 °.
  • the baffles themselves can meet, for example, at an angle different from 90 °, for example at an angle which is more than 90 °, for example an angle of more than 100 ° and in particular an angle of more than 1 10 °.
  • other embodiments are possible.
  • the proposed ultrasonic flow sensor has several advantages over known ultrasonic flow sensors.
  • the ultrasonic flow sensor can, as stated above, in particular be configured with two ultrasonic transducers arranged offset in the flow to be measured, which transmit mutually ultrasonic signals via the reflection surface.
  • the orientation of the reflection surface can be determined in particular by its main normal vector N h in the reflection range.
  • Measuring tube surface may, as stated above, be divided between the ultrasonic transducers in the direction of the connecting line between the ultrasonic transducers in the three surface areas defined above and their dimensions along and across this connecting line an extent of at least approximately one third of the length L of the connecting line exhibit.
  • the angle averaged over the middle of these three surface areas M between the surface normals N of the measuring tube surface and the vector directed antiparallel to the main normal vector N h of the reflection surface can be greater than 15 °.
  • the ultrasonic flow sensor can have a surface structure, in particular a surface structure of a measuring tube surface, as deflection device between the ultrasonic transducers.
  • This surface structure can in particular be configured in such a way that a parasitic W-shaped sound path with reflections over the reflection surface, the region between the ultrasound transducers and again over the reflection surface, relative to the desired useful sound path passing only once across the reflection surface through the desired sound path Surface structure is significantly suppressed.
  • interference signals are suppressed. Although these would arrive without the invention later than the useful signals at the receiver, for example, approximately twice the transit time. Thus, these noise signals could be waited for or eliminated by a suitably selected evaluation time window. However, it then has to wait longer in the repetitive measuring operation until a new measurement can take place or until the measurement may take place in the opposite direction of the sound.
  • the invention makes it possible to bring the measurement repetition rate into an area which is required for sufficient sampling of pulsating flows, for example in the intake, fresh air or exhaust area of internal combustion engines, without additional measurement errors.
  • the advantage lies in particular in the primary V-shaped sound path, which requires only a single reflection.
  • Figure 1 shows a basic structure of a known ultrasonic flow sensor with a simple reflection surface
  • FIGS. 2A and 2B show the time course of ultrasound signals at the ultrasound transducers
  • FIGS. 6A to 7 show a first exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor according to the invention with a deflection device
  • FIGS. 8 to 16 show alternative embodiments of an ultrasonic flow sensor according to the invention
  • FIGS. 17 to 19F show various embodiments of a surface contouring of a deflection device
  • Figures 20A to 22B further embodiments of inventive ultrasonic flow sensors.
  • FIG. 1 shows a known ultrasound flow sensor 1 10 as a starting point for the present application.
  • This has a flow tube 1 12 through which a fluid medium, for example an exhaust gas of an internal combustion engine, flows in a flow direction 1 14 at a velocity indicated by v in FIG and / or an air mass in an intake tract of an internal combustion engine (even after compression by a turbocharger, for example) flows.
  • the flow tube 1 12 has a measuring tube 1 16, which may for example form a portion of the flow tube 1 12 or may be formed by a housing which is mounted as a plug-in sensor in the flow tube 1 12.
  • two ultrasonic transducers 120, 122 are arranged offset to one another along the flow direction 1 14.
  • ultrasonic transducers 120, 122 are also designated in FIG. 1 with the letters A and B.
  • the ultrasonic transducers 120, 122 transmit ultrasonic waves to one another via a reflector 124 having a reflection surface 126.
  • a parasitic, dotted W-shaped sound path 130 is shown in FIG. 1, which results from multiple reflections at the reflection surface 126, with reflection at the measuring tube surface 1 18 connected therebetween.
  • the average flow velocity V and from the volume flow and / or the mass flow is determined.
  • one or more undesired sound paths for example the illustrated W-shaped or M-shaped parasitic sound path 130 result .
  • FIGS. 2A and 2B show a possible chronological sequence of the ultrasound measurements. Shown in these figures is in each case the sound intensity I at both ultrasonic transducers 120, 122 as a function of time t, divided into those at the ultrasonic transducer A emitted sound waves (Figure 2A) and the emitted at the ultrasonic transducer B sound waves ( Figure 2B).
  • ultrasonic transducer A is transmitted (FIG. 2A, bold curve), and then the sound is transmitted to B via the V-shaped sound path 128 (thin curve in FIG. 2A).
  • the sound received at B is not completely converted into an electrical signal, but a majority of the sound energy is reflected back at the receiving ultrasonic transducer and then meets again at A (dotted drawn), where it is reflected again and gets back to B etc
  • S is sent to B ( Figure 2B, bold curve)
  • the sound sent from A and reflected back to B has just returned to A
  • the sound sent to B arrives in A, while there is no reflected, disturbing sound Sound from the last transmission (A) is present, but only from the penultimate transmission (B).
  • the corresponding background noise has already been reflected four times at the ultrasonic transducers 120, 122 at this point in time and has been correspondingly attenuated.
  • a variable repetition rate can be used to further reduce the influence of this four times reflected noise by averaging over several measurements taken at slightly different time intervals, eg within the range of variation of an ultrasonic period.
  • the measurement repetition rate can be selected to be relatively high, without having to wait for a single measurement until all echoes originating from previous transmission events have subsided.
  • parasitic W- or M-shaped sound paths or other parasitic sound paths have not yet been considered. These paths are, for example, about twice as long as the V-shaped sound path 128, so that repeated repeated measurements at a short time interval, as in FIGS. 2A and 2B, generate additional interference signals and cause a measurement error.
  • These parasitic sound paths arise, above all, when a reflective surface, for example a reflective measuring tube surface 1 18, is present between the ultrasonic transducers 120, 122. In contrast to FIG. 1, this can also occur with other geometries, as illustrated, for example, in FIGS. 3 to 5.
  • These figures again show ultrasonic flow meters 110 similar to the starting point of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which there is a curvature between the ultrasonic transducers 120, 122, which can also offer, for example, aerodynamic advantages and at the same time easily scatters sound.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which there is a curvature between the ultrasonic transducers 120, 122, which can also offer, for example, aerodynamic advantages and at the same time easily scatters sound.
  • there is still a normal vector antiparallel to the normal vector of the reflection surface 126 namely in the critical region approximately in the middle between the ultrasonic transducers 120, 122. This is usually the case even if the measuring tube surface 1 18 between the Ultrasound transducers 120, 122 has a slight curvature or curvature throughout.
  • FIGS. 6A to 8 show a first embodiment according to the invention of an ultrasonic flow sensor 110.
  • the ribs are identified here by the reference numeral 140. This subdivision of the deflection surfaces 134, 136 through the rib structure of the ribs 140, which may extend to the bottom of the flow tube 1 12 or only partially embedded in the deflecting surfaces 134, 136, may, for example, favor the aerodynamic properties of the ultrasonic flow sensor 1 10 and also cause additional sound scattering or partial sound cancellation by interference of the sound waves scattered or reflected at the individual ribs 140.
  • FIGS. 9A and 9B symbolically show alternative embodiments of the contour between the ultrasonic transducers 120, 122 in the form of contour lines. It is shown that the ultrasonic transducers 120, 122 also laterally, transversely to the flow direction 1 14 can be arranged offset from each other. The extensions of the contour of the deflection device 132 may extend at least partially to the side next to the ultrasonic transducers 120, 122. In this case, the ultrasonic transducers 120, 122 can also be arranged offset side by side transversely to the flow direction 14 (FIG. 9A) and / or shifted with respect to their mutual direct alignment or tilted relative to one another (FIG. 9B).
  • these embodiments can ensure that echoes reflected several times between the ultrasound transducers 120, 122 are reduced and, on the other hand, it is possible to ensure that a wake of one ultrasound transducer 120 does not hit the other ultrasound transducer 122.
  • FIGS. 10A and 10B show a further exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor 110, in which the deflection device 132 comprises at least one reflection barrier 152.
  • FIG. 10A shows a top view of the measuring Rohrober Structure 1 18, in which the ultrasonic transducers 120,122 are added, whereas Figure 10B shows a partial perspective view of the arrangement.
  • the reflection barrier 152 is fundamentally a structure which protrudes from the measuring tube surface 11 and comprises at least two deflecting surfaces 134, 136 which run very steeply towards the measuring tube surface 11.
  • these deflecting surfaces 134, 136 may extend at an angle of 70 ° to 110 °, in particular 80 ° to 90 °, to the measuring tube surface 11.
  • the reflection barrier 152 may extend, for example, by a height H between 1.0 mm and 20 mm into the flow of the fluid medium.
  • Reflection barrier 152 for example, have a length I in the flow direction 1 14, which may be, for example, 1, 0 mm to 50 mm.
  • the reflection barrier 152 can in particular be arranged substantially parallel to the flow direction 14, as can be seen by way of example from the illustration in FIG. 10A.
  • a deviation from the parallelism can also be understood to mean not more than 20 °, preferably not more than 10 ° and particularly preferably not more than 5 °. for example, with a width b perpendicular to the flow direction 1 14, which is not more than 5.0 mm, for example 0.5 to 3.0 mm.
  • the reflection barrier 152 may in particular run obliquely to the connecting line between the ultrasonic transducers 120, 122, which is denoted L in FIGS. 10A and 10B.
  • the longitudinal extension direction of the flow barrier which is designated by the reference numeral 154 in FIGS. 10A and 10B, can intersect the connecting line L at an angle of 5 ° to 60 °, in particular from 20 ° to 45 °. If a roof-like structure with ribs 140, for example lamellae, as in FIG.
  • this "roof" of the deflection device 132 can also be tilted in such a way that the cutting line 130 between the deflection surfaces 134, 136, which can be configured as a "ridge line” of this roof, is not perpendicular to the connecting line L between the ultrasonic transducers 120, 122 is.
  • This embodiment can also be realized in the other exemplary embodiments of the present invention, for example in the exemplary embodiments.
  • FIG. 11 describes an embodiment similar to the exemplary embodiment in FIG.
  • FIG. 9B wherein the deflecting surfaces 134, 136 can additionally have a substructuring 142, for example in the form of ribs or grooves, for example in the form of a smaller coarse structure or in the form of a fine structure.
  • Figure 12 shows a modification of the embodiment in Figure 1 1, in which also a substructure 142 is provided, for example in the form of steps.
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment analogous to the exemplary embodiment in FIG. 9A, in which a substructuring 142 is again optionally provided, in this case again in the form of steps.
  • a substructure 142 for example in the form of a coarser pattern on a smaller scale or a fine structure, may generally be optionally provided in the deflecting surfaces 134, 136 in all embodiments of the present invention.
  • Such a substructuring 142 divides the coarse structure, which is predetermined by the deflection surfaces 134, 136, into smaller areas, for example subareas, recesses, grooves or the like.
  • FIG. 14 once again shows a basic structure of the roof-like construction of the deflection device 132.
  • the rough structure defined by the deflecting surfaces 134, 136 of this deflecting device 132 between the ultrasonic transducers 120, 122 as surface substructuring 142 may additionally have grooves 144, as exemplarily illustrated in the exemplary embodiment according to FIG.
  • These grooves 144 may define surface portions 146, such as surface portions 146 on the lands between the grooves 144 and surface portions 146 between these lands.
  • Neighboring surface portions 146 may rather meet perpendicular to each other, as is at least approximately the case for example in the embodiment of Figure 15, or even obliquely, as shown in the embodiment of FIG 16. Slanting each other
  • FIG. 17 shows a cross section through one of the deflection surfaces 134, 136, from which these surface portions 146 can be seen.
  • Substructures 142 which have depth dimensions and / or lateral dimensions in the order of the sound wave length in the flowing medium, for example in the order of magnitude of ⁇ / 4, are particularly advantageous here.
  • FIG. 18 shows again, which shows an alternative embodiment of the surface portions 146 to FIG. With such a dimensioning, there are phase shifts of the reflected sound components that cancel each other out at least partially due to interference.
  • FIGS. 19A to 19F various further embodiments are shown in FIGS. 19A to 19F.
  • substructures 142 having a primary orientation such as groove structures as previously described
  • substructures 142 having multiple major alignment axes or structures approximately isotropic in area such as grid-like structures or seemingly disordered elevations and / or depressions, are also conceivable.
  • FIGS. 20A (perspective view) and 20B (top view) show a coarse structure between the ultrasonic transducers 120, 122 which acts as a deflector 132 and has a tip 148 instead of a "ridge line".
  • this tip 148 may terminate a pyramidal structure having three, four, or more baffles 150.
  • W-shaped parasitic sound components will not only be formed in the direction of flow or in the direction of the connecting line L between the ultrasound transducers 120, 122, but also distracted with a component across it.
  • FIG. 21 shows a modification of the arrangement shown in FIG. 20B.
  • This modification has the transverse deflection only on two of four baffles 150 in the form of pyramidal surfaces, but in most applications still shows a sufficient deflection effect.
  • the latter geometry according to FIG. 21 additionally has the advantage that it is particularly well compatible with the mounting pockets for the usually obliquely installed ultrasonic transducers 120, 122 in the measuring tube surface 1 18. In this case, it is advisable to curve and / or distort the pyramidal structure so that it is really pyramidal only in the tip 148. This is illustrated by the perspective view in FIG. 22A, wherein FIG.
  • FIG. 22B shows a sectional representation of the measuring tube surface 1 18 perpendicular to a connecting line L between the ultrasonic transducers 120, 122.
  • the pyramidal structure of the deflection device 132 was generated by intersecting cylinder surfaces of the measuring tube surface 118.
  • each of the four "roof surfaces" which form the deflection surfaces 150 has an orientation whose normal direction in and / or against and / or transversely to the flow direction differs significantly from the vector in anti-parallel to the normal direction of the reflection surface 126, whereby parasitic acoustic contributions can be avoided.

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Abstract

Es wird ein Ultraschallströmungssensor (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Der Ultraschallströmungssensor (110) umfasst mindestens zwei längs zu einer Strömung versetzt zueinander in einem Strömungsrohr (112) des fluiden Mediums angeordnete Ultraschallwandler (120, 122). Weiterhin umfasst der Ultraschallströmungssensor (110) eine Reflexionsfläche (126), wobei die Ultraschallwandler (120, 122) eingerichtet sind, um sich gegenseitig über einfache Reflexion an der Reflexionsfläche (126) Ultraschallsignale zuzusenden. Weiterhin ist zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) eine Ablenkvorrichtung (132) vorgesehen, welche eingerichtet ist, um von der Reflexionsfläche (126) reflektierte und auf die Ablenkvorrichtung (132) auftreffende parasitäre Ultraschallsignale durch Ablenkung von den Ultraschallwandlern (120, 122) weg im Wesentlichen zu unterdrücken.

Description

Beschreibung
Titel
Ultraschallströmungssensor zum Einsatz in einem fluiden Medium Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Strömungssensoren zur Erfassung der Strömung eines fluiden Mediums bekannt. Derartige Ultraschallströmungssensoren erfassen beispielsweise einen Massenstrom, einen Volumenstrom oder eine Ge- schwindigkeit des fluiden Mediums, beispielsweise in einem Strömungsrohr. Dabei werden üblicherweise zwei oder mehr Ultraschallwandler eingesetzt, welche längs zur Strömung des fluiden Mediums gegeneinander versetzt in der Strömung angeordnet sind und sich gegenseitig Ultraschallsignale zusenden können. Aus Laufzeitdifferenzen zwischen den Ultraschallsignalen mit einer Komponente in Strömungsrichtung und mit einer Komponente entgegen der Strömungsrichtung kann dann auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder andere, die Strömung charakterisierende Größen geschlossen werden.
Ein Beispiel eines derartigen Ultraschallströmungssensors, welcher auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden kann, ist in DE 39 41
544 A1 beschrieben. Diese Druckschrift offenbart einen Ultraschall-Durchflussmesser mit einer Mehrfach reflexion der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern. Dadurch entsteht ein W-förmiger Ultraschallweg im Messrohr, was den Vorteil eines längeren Schallwegs und einer wandbündigen Wandlermontage bietet.
Nachteilig an diesen bekannten Reflexionsvorrichtungen ist jedoch, dass Reflexionsflächen, welche in der DE 39 41 544 A1 mehrfach erforderlich sind, die Robustheit des Systems vermindern können. Insbesondere sind die Reflexionsflächen, welche bei dem beschriebenen Aufbau gleich dreifach benötigt werden, empfindlich gegenüber Erschütterungen, können die Strömungsverhältnisse beeinflussen, sind anfällig gegen- über Kontaminationen und den damit verbundenen Veränderungen der Reflektivität oder gegenüber thermischem Verzug.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Ultraschallströmungssensor vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Ultraschallströmungssensoren zumindest weitgehend vermeidet. Der Ultraschallströmungssensor basiert auf einem Reflexionsprinzip, stellt jedoch einen eindeutigen Ultraschall-Übertragungsweg bereit. Der Ultraschallströmungssensor ist zum Einsatz in einem fluiden Medium eingerichtet. Beispielsweise kann dieses fluide Medium durch ein Strömungsrohr fließen, dessen Bestandteil beispielsweise ein Messrohr sein kann, das in das Strömungsrohr eingebracht wird und/oder Bestandteil des Strömungsrohrs ist. Der Ultraschallströmungssensor lässt sich insbesondere im Kraft- fahrzeugbereich einsetzen, beispielsweise in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, insbesondere in deren Frischlufttrakt, insbesondere nach einem Turbolader, insbesondere im Nutzkraftwagen-Bereich. Alternative Anwendungsgebiete sind beispielsweise Sensoren für Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise in der Verfahrenstechnik, z.B. bei Prozesssteuerungen, Anwendungen als Abstandssensoren, als Füllstandssenso- ren, als Strömungssensoren in der Chemie- und Pharmaindustrie, als Sensoren in der
Medizintechnik, beispielsweise bei Atemgasüberwachungen, oder Anwendungen in der Energietechnik, beispielsweise als Wärmezähler in Kraftwerken oder im Haushalt.
Der Ultraschallströmungssensor umfasst mindestens zwei längs zu einer Strömung des fluiden Mediums versetzt zueinander in einem Strömungsrohr des fluiden Mediums angeordnete Ultraschallwandler. Beispielsweise können die Ultraschallwandler ganz oder teilweise in die Wand eines Messrohrs des Strömungsrohrs eingelassen sein, also beispielsweise eines Abschnitts des Strömungsrohrs oder eines separat in das Strömungsrohr eingelassenen Messrohrs. Die Ultraschallwandler können auch in ei- nem Gehäuseteil aufgenommen sein, welches als Steckfühler am eigentlichen Strömungsrohr oder Messrohr angesetzt oder in dieses eingesetzt ist. In diesem Fall kann eine Wandung des Gehäuseteils auch als Teil des Strömungsrohrs oder des Messrohrs verstanden werden. Unter einer längs zur Strömung versetzten Anordnung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher einer der Ultraschallwandler strom- aufwärts des anderen angeordnet ist, wobei die Anordnung exakt in Strömungsrichtung erfolgen kann oder auch, wie unten noch ausgeführt wird, versetzt zueinander quer zur Strömungsrichtung.
Unter einem Ultraschallwandler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Vorrichtung zu verstehen, welche in der Lage ist, elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann ein Ultraschallwandler mindestens einen Wandlerkern umfassen, in welchem mindestens ein elektrisch-akustisches Wandlerelement aufgenommen ist. Ein Beispiel eines derartigen e- lektrisch-akustischen Wandlerelements ist ein Piezoelement. Auch andere elektrisch- akustische Wandlerelemente sind jedoch einsetzbar. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen der Ultraschallwandler kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik oder auf andere bekannte Ultraschallwandler verwiesen werden.
Der Ultraschallströmungssensor umfasst weiterhin eine Reflexionsfläche. Unter einer Reflexionsfläche ist eine Fläche zu verstehen, welche eingerichtet ist, um Ultraschallsignale ganz oder teilweise zu reflektieren. Beispielsweise kann diese Reflexionsfläche Teil des Strömungsrohrs sein, beispielsweise Teil des Messrohrs, oder auch separat in das Messrohr eingebracht werden, beispielsweise als Reflexionsfläche, welche innerhalb der Strömung des fluiden Mediums angeordnet ist. Die Reflexionsfläche kann auch an einem Gehäuseteil befestigt sein, welches auch die Ultraschallwandler aufnimmt und welches als Steckfühler am eigentlichen Strömungsrohr oder Messrohr angesetzt oder in dieses eingesetzt ist. Die Ultraschallwandler sind eingerichtet, um sich gegenseitig über einfache Reflexion an der Reflexionsfläche Ultraschallsignale zuzusenden. Dies bedeutet in anderen Worten, dass, im Gegensatz zu dem W-förmigen Verlauf der in der DE 39 41 544 A1 dargestellten Anordnung, im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein V-förmiger Verlauf der Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern als bevorzugter Ausbreitungspfad vorgesehen ist. Dabei können die Ultraschallwandler auch derartig eingebaut sein, dass diese gegenüber dem idealen V- förmigen Verlauf leicht verkippt sind, wodurch beispielsweise ein Vorhalt gegenüber Strahlverwehungen unter Strömung gegeben sein kann und/oder Mehrfachreflexionen zwischen den beiden Wandleroberflächen reduziert werden können.
Weiterhin ist zwischen den Ultraschallwandlern eine Ablenkvorrichtung vorgesehen. Diese Ablenkvorrichtung kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, Bestandteil eines Messrohrs und/oder einer Messrohrwand sein, in welche die Ultraschallwandler eingesetzt sind. Auch andere Anordnungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Ablenkvorrichtung ist eingerichtet, um von der Reflexionsfläche reflektierte und auf die Ablenkvorrichtung auftreffende parasitäre Ultraschallsignale durch Ablenkung von den Ultraschallwandlern weg im Wesentlichen zu unterdrücken. In anderen Worten ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um beispielsweise W-förmige Signalver- läufe oder andere Signalverläufe mit einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der
Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern zu unterdrücken. Unter einer Unterdrückung "im Wesentlichen" ist dabei eine Unterdrückung zu verstehen, bei welcher die Schallenergie der parasitären Ultraschallsignale im Vergleich zu einer Anordnung ohne Ablenkvorrichtung, also beispielsweise im Vergleich zu einer glatten Mess- rohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern, um mindestens 30 %, vorzugsweise um mindestens 50 % und besonders bevorzugt um mindestens 80 % oder sogar um mindestens 90 % unterdrückt wird.
Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere zumindest in einem mittleren Drittel einer Verbindungsstrecke zwischen den Ultraschallwandlern angeordnet sein. Die Ablenkvorrichtung kann sich jedoch auch über die gesamte Strecke zwischen den Ultraschallwandlern erstrecken oder über einen anderen Teil dieser Strecke. Besonders bevorzugt ist die Ablenkvorrichtung im Wesentlichen symmetrisch zu den Ultraschallwandlern angeordnet, um insbesondere W-förmige Signalverläufe zu unterdrücken.
Die Ablenkvorrichtung soll dabei vorzugsweise in einem makroskopischen Maßstab ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Ablenkvorrichtung vorzugsweise an ihrer größten Erhebung und/oder Vertiefung von der Messrohroberfläche um einen Betrag in das Messrohr hinein und/oder aus diesem heraus ragt, welcher größer ist als die Wellenlänge der Ultraschallsignale, beispielsweise also größer als 0,1 mm, insbesondere größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 1 ,0 mm besonders bevorzugt größer als 2,0 mm oder sogar größer als 4,0 mm. Alternativ oder zusätzlich kann die Ablenkvorrichtung jedoch auch eine oder mehrere Strukturen in einem Maßstab umfassen, welcher kleiner ist als der genannte makroskopische Maßstab. So kann die Ablenkvorrichtung, alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zu makroskopischen Strukturen, Rauig- keiten umfassen.
So kann grundsätzlich zwischen zwei Größenskalen unterschieden werden, nämlich zwischen Strukturen der Ablenkvorrichtung auf einer Größenskala im makroskopischen Bereich gemäß der obigen Definition, welche im Folgenden auch als Grobstrukturen bezeichnet werden, und Strukturen, welche auf der oben beschriebenen Skala im mik- roskopischen Bereich liegen, also beispielsweise bei Erhebungen unterhalb von 1 ,0 mm, insbesondere auf einer Größenskala von Oberflächenrauigkeiten. Derartige Strukturen werden im Folgenden auch als Feinstrukturen bezeichnet. Vorzugsweise weist die Ablenkvorrichtung also Grobstrukturen auf. Diese können sich beispielsweise auf eine Größenskala bis hinunter zur Ultraschallwellenlänge im fluiden Medium beziehen. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s in Luft bei Raumtemperatur und einer Frequenz von 340 kHz ergibt dies beispielsweise eine Ultraschallwellenlänge von 1 mm.
Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Ablenkfläche umfassen, vorzugsweise mindestens zwei oder mehr Ablenkflächen. Unter einer Ablenkflächen ist dabei eine Fläche zu verstehen, welche zumindest teilweise reflektierende und/oder absorbierenden Eigenschaften für Ultraschallsignale aufweist und eingerichtet ist, um entsprechend der Funktion der Ablenkvorrichtung die Ablenkung von Ultraschallwellen zu gewährleisten. Auch eine größere Anzahl von Ablenkflächen ist möglich, beispielsweise eine Anzahl von vier Ablenkflächen, wie sie beispielsweise bei einer prismen- oder pyramidenförmigen Ausgestaltung der Ablenkvorrichtung entstehen. Die Ablenkvorrichtungen können eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein. Verschiedene Bei- spiele werden unten noch näher ausgeführt.
Die mindestens eine Ablenkfläche kann insbesondere gegenüber der Reflexionsfläche geneigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Ablenkfläche insbesondere mindestens eine gegenüber einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschall- wandlern geneigte Ablenkfläche umfassen. Vorzugsweise kann die mindestens eine
Ablenkfläche derart ausgestaltet sein, dass eine Basislinie dieser Ablenkfläche, in welcher die Ablenkfläche eine durch die Strömungsrichtung des Fluidenmediums und die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern aufgespannte Ebene schneidet, unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Verbindungslinie zwischen den Ultra- schallwandlern angeordnet ist, beispielsweise unter einem Winkel von 0° bis 70° und/oder unter einem Winkel von 1 10° bis 180°. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Ablenkfläche einen Normalenvektor aufweisen, der nicht parallel oder antiparallel zu der zur Reflexionsfläche senkrechten Ebene ist, welche die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern einschließt. Hierdurch kann beispielswei- se gewährleistet werden, dass Ultraschallsignale aus einer zur Reflexionsfläche senk- rechten Ebene, welche die Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern einschließt, heraus reflektiert werden.
Alternativ oder zusätzlich können die Flächennormalen der Ablenkflächen insbesonde- re auch mit einer Flächennormalen der Reflexionsfläche einen Winkel einschließen, welcher im Mittel über den Betrag dieses Winkels größer ist als 10°, vorzugsweise größer als 15°, besonders bevorzugt größer als 20°. Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere teilweise durch eine Messrohroberfläche zwischen den Ultraschallwandlern gebildet werden. Beispielsweise kann die Messrohroberfläche zwischen den Ultra- schallwandlern in Richtung einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern in drei Flächenbereiche einteilbar sein. Eine Ausdehnung der drei Flächenbereiche längs und quer zu der Verbindungslinie kann dabei jeweils ungefähr ein Drittel der Länge der Verbindungslinie betragen. Ein über den mittleren dieser drei Flächenbereiche im Betrag gemittelter Winkel zwischen einer Flächennormalen der Reflexionsfläche und den Flächennormalen der Messrohroberfläche kann dabei vorzugsweise größer als 10° gewählt werden, insbesondere größer als 15° und besonders bevorzugt größer als 20°.
Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Form aufweisen, welche ausgewählt ist aus einer der folgenden Formen: eine Dachform; eine Pyramidenform; eine Dachform mit gekrümmten Dachflächen als Ablenkflächen; eine Pyramidenform mit gekrümmten Pyramidenflächen als Ablenkflächen; eine Pyramidenform mit konvexen oder konkaven Zylinderflächen als Ablenkflächen; eine in die Strömung hineinragende Spitze; eine Sägezahnform; eine Wellenform; eine Noppenform; eine Dellenform; eine Buckelform; eine Stufenform; eine Rippenform; eine zu minestens einer der vorgenannten Formen inverse Form, die sich z.B. durch einen Negativ-Abdruck dieser
Formen ergeben würde. Auch Kombinationen der genannten Formen und/oder anderer Formen können vorgesehen sein. Weiterhin können mehrere solcher Formen aneinandergereiht oder kombiniert werden. So können beispielsweise mehrere Pyramidenformen aneinandergereiht werden, beispielsweise zu einem Waffelmuster. Sind mehrere Pyramidenformen in einer oder zwei Richtungen aneinandergereiht, so ist es besonders bevorzugt, wenn die Basislinien dieser Pyramiden unter einem von 0° und 90° verschiedenen Winkel zu einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern verlaufen. Beispielsweise können die Basislinien unter einem Winkel von 20° bis 70° und/oder unter einem Winkel von 1 10° bis 160° zu der Verbindungslinie verlaufen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die genannten Formen können insbesondere als Grobstruktur ausgebildet sein, im Sinne der obigen De- finition. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere der genannten Formen jedoch auch als Feinstruktur ausgebildet sein, beispielsweise auf einer Ablenkfläche. So können beispielsweise auch Grobstrukturen und Feinstrukturen miteinander kombiniert werden, beispielsweise indem eine oder mehrere Flächen einer Grobstruktur, bei- spielsweise eine oder mehrere Ablenkflächen, durch eine oder mehrere Feinstrukturen unterstrukturiert sind.
So kann die Ablenkvorrichtung insbesondere, wie oben ausgeführt, mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei oder mehr Ablenkflächen aufweisen. Diese Ablenkflächen können insbesondere eine Unterstrukturierung und/oder eine Feinstruktur aufweisen. Unter einer Feinstruktur ist dabei eine Strukturierung auf der oben beschriebenen Größenskala zu verstehen, beispielsweise eine Unterstrukturierung der mindestens einen Ablenkfläche. Die Ablenkfläche kann als solche in ihrem gesamten Verlauf eine Grobstruktur definieren oder Bestandteil einer Grobstrukturen sein, wobei die mindestens eine Ablenkfläche dann vorzugsweise durch die Feinstruktur oder durch eine andere Art von Unterstrukturierung, beispielsweise mindestens eine kleinere Grobstruktur, in mehrere Teilflächen unterteilt wird. Diese Unterstrukturierung, beispielsweise die Feinstruktur oder die kleinere Grobstruktur, kann insbesondere eine Tiefe aufweisen, welche im Bereich von weniger als 5 Wellenlängen der Ultraschallwellen in dem fluiden Medium liegt, vorzugsweise im Bereich von weniger als 2 Wellenlängen und besonders bevorzugt von weniger als einer Wellenlänge, beispielsweise im Bereich einer viertel Wellenlänge. Die Unterstrukturierung kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Strukturen aufweisen: eine Mehrzahl von Rippen; eine Mehrzahl von Rillen; ein Gitter; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Flächen; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Formen der oben genannten Art.
Wie oben ausgeführt, können die Ultraschallwandler, zusätzlich zu dem Versatz längs zur Strömungsrichtung, auch quer zur Strömung des fluiden Mediums zueinander versetzt sein. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise verhindern, dass Strömungsunre- gelmäßigkeiten, welche durch einen stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler erzeugt werden, einen stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler beeinflussen.
Weiterhin kann, insbesondere in einer Anordnung mit quer zur Strömung des Fluiden Mediums zueinander versetzten Ultraschallwandlern, jedoch auch in anderen Anord- nungen, die Ablenkvorrichtung mindestens eine Reflexionsbarriere umfassen. Unter einer Reflexionsbarriere ist dabei eine Barriere zu verstehen, welche sich von der Messrohroberfläche aus vergleichsweise steil in die Strömung des fluiden Mediums hinein erstreckt. Beispielsweise kann diese Reflexionsbarriere in Form einer Lamelle ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Reflexionsbarriere eine Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern im mittleren Drittel schneiden, vorzugsweise bei der Hälfte.
Insbesondere kann die Reflexionsbarriere derart ausgestaltet sein, dass diese eine Lamelle mit folgenden Eigenschaften umfasst: Die Lamelle weist erstens eine Haup- tausdehungsrichtung auf mit einer nicht verschwindenden Vektorkomponente quer zur direkten Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern, so dass Schallwellen vom einen Ultraschallwandler über eine erste Reflexion an der Reflexionsfläche nicht in größerem Maße über eine oder mehrere Reflexionen an der Ablenkvorrichtung und eine zweite Reflexion an der Reflexionsfläche zum anderen Wandler gelangen, sondern eher zurückreflektiert oder tendenziell seitlich wegreflektiert werden. Wegen der quer zur Strömungsrichtung versetzten Anordnung der Ultraschallwandler kann die Lamelle dabei, alternativ oder zusätzlich, parallel oder weitgehend parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sein, so dass die Lamelle die Strömungsführung nicht stört. Durch diese Anordnung einer Hauptstruktur der Ablenkvorrichtung in Strömungsrichtung kann die entsprechende Strukturtiefe entsprechend größer gewählt werden, ohne die Strö- mungsführung zu stören, so dass eine reglerechte Barriere für den W-förmigen Schallverlauf realisierbar ist.
Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere, wie oben aufgeführt, mindestens zwei Ablenkflächen umfassen. Diese Ablenkflächen können sich beispielsweise, wie oben ausgeführt, in einer Dachform in einer Schnittlinie schneiden. Die Schnittlinie kann insbesondere unter einem von 90° verschiedenen Winkel zu einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern angeordnet sein, wodurch ansonsten W-förmige Schallverläufe nicht nur durch die Dach-Neigung der Ablenkflächen reduziert oder eliminiert werden, sondern der Schall aus derjenigen Ebene herausreflektiert wird, die senkrecht zur Reflexionsfläche und parallel zur Verbindungslinie zwischen den Ultra- schallwanldern verläuft. Diese Ebene ist in der Regel identisch mit der Ebene, die durch die Hauptanteile der Nutzsignale aufgespannt wird oder auch durch die W- förmigen Anteile bei einer fehlenden Ablenkvorrichtung. Der von 90° abweichenden Winkel zwischen der Schnittlinie der ablenkflächen und der Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern ist weiterhin gleichbedeutend anzusehen mit der Eigenschaft, dass die Normalenvektoren der Ablenkflächen nicht parallel zu der durch die Hauptan- teile der Nutzsignale aufgespannten Ebene sind. Durch eine entsprechende Ablenkung der auf der Ablenkfläche auftretenden Schallanteile aus dieser Ebene hinaus wird verhindert, dass diese abgelenkten Schallanteile in zu großem Maße über die Reflexionsfläche auf den sendenen Ultraschallwandler zurückreflektiert werden, was ebenfalls als parasitärer Schallweg (z.B. für die entgegengesetzte Messrichtung) anzusehen ist.
Beispielsweise kann ein Winkel von weniger als 80° vorgesehen sein, beispielsweise ein Winkel von weniger als 70°. Die Ablenkflächen selbst treffen können beispielsweise unter einem von 90° verschiedenen Winkel aufeinandertreffen, beispielsweise unter einem Winkel, welcher mehr als 90° beträgt, beispielsweise einem Winkel von mehr als 100° und insbesondere einem Winkel von mehr als 1 10°. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
Der vorgeschlagene Ultraschallströmungssensor weist gegenüber bekannten Ultraschallströmungssensoren mehrere Vorteile auf. So lässt sich insbesondere, unter weit- gehender Unterdrückung parasitärer Ultraschallpfade, ein eindeutiger Ultraschall-
Übertragungspfad sicherstellen. Der Ultraschallströmungssensor kann, wie oben ausgeführt, insbesondere mit zwei versetzt in der zu messenden Strömung angeordneten Ultraschallwandlern ausgestaltet sein, die sich über die Reflexionsfläche gegenseitig Ultraschallsignale zusenden. Die Ausrichtung der Reflexionsfläche kann insbesondere durch deren Hauptnormalenvektor Nh im Reflexionsbereich festgelegt werden. Die
Messrohroberfläche kann, wie oben ausgeführt, zwischen den Ultraschallwandlern in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern in die drei Flächenbereiche eingeteilt sein, welche oben definiert wurden, und deren Ausdehnungen längs und quer zu dieser Verbindungslinie eine Ausdehnung von zumindest näherungsweise ein Drittel der Länge L der Verbindungslinie aufweisen. Dabei kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, der über den mittleren dieser drei Flächenbereiche M gemittelte Winkel zwischen den Flächennormalen N der Messrohroberfläche und dem antiparallel zum Hauptnormalenvektor Nh der Reflexionsfläche gerichteten Vektor größer als 15° gewählt werden. Der Ultraschallströmungssensor kann insbesondere als Ablenkvor- richtung zwischen den Ultraschallwandlern eine Oberflächenstruktur aufweisen, insbesondere eine Oberflächenstruktur einer Messrohroberfläche. Diese Oberflächenstruktur kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein parasitärer W-förmiger Schallpfad mit Reflexionen über die Reflexionsfläche, den Bereich zwischen den Ultraschallwandlern und nochmals über die Reflexionsfläche, gegenüber dem nur einmal über die Re- flexionsfläche verlaufenden V-förmigen, erwünschten Nutzschallpfad durch die Oberflächenstruktur wesentlich unterdrückt wird. Durch die Erfindung werden insbesondere Störsignale unterdrückt. Diese würden zwar ohne die Erfindung später als die Nutzsignale am Empfänger eintreffen, beispielsweise mit ungefähr der doppelten Laufzeit. Somit könnten diese Störsignale abgewartet werden oder durch ein geeignet gewähltes Auswerte-Zeitfenster eliminiert werden. Allerdings muss dann im repetierenden Messbetrieb länger gewartet werden, bis eine erneute Messung stattfinden kann oder bis die Messung in der entgegengesetzten Schallrichtung erfolgen darf. Durch die Erfindung lässt sich die Messwiederholrate dagegen ohne zusätzliche Messfehler in einen Bereich bringen, der zur ausreichenden Abtastung pulsierender Strömungen, beispielsweise im Ansaug-, Frischluft- oder Abgasbereich von Verbrennungsmotoren erforderlich ist. Gegenüber der in DE 39 41 544 A1 beschriebenen Vorrichtung liegt der Vorteil insbesondere im primären V-förmigen Schallpfad, der nur eine einzelne Reflexion erfordert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Grundaufbau eines bekannten Ultraschallströmungssensors mit einer einfachen Reflexionsfläche;
Figuren 2A und 2B den zeitlichen Verlauf von Ultraschallsignalen an den Ultraschallwandlern;
Figuren 3 bis 5 zu Figur 1 alternative Anordnungen ohne oder mit unzureichender Unterdrückung von parasitären Ultraschallpfaden;
Figuren 6A bis 7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors mit einer Ablenkvorrichtung;
Figuren 8 bis 16 alternative Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors; Figuren 17 bis 19F verschiedene Ausführungsbeispiele einer Oberflächenkonturie- rung einer Ablenkvorrichtung; und
Figuren 20A bis 22B weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ultraschall- Strömungssensoren.
Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt als Ausgangspunkt für die vorliegende Anmeldung einen bekannten Ultra- schallstromungssensor 1 10. Dieser weist ein Strömungsrohr 1 12 auf, durch welches in einer Strömungsrichtung 1 14 mit einer in Figur 1 mit v bezeichneten Geschwindigkeit ein fluides Medium, beispielsweise ein Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder eine Luftmasse in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine (besipielsweise auch nach Komprimierung durch einen Turbolader), fließt. Das Strömungsrohr 1 12 weist ein Messrohr 1 16 auf, welches beispielsweise einen Abschnitt des Strömungsrohrs 1 12 bilden kann oder auch durch ein Gehäuse gebildet werden kann, welches als Steckfühler im Strömungsrohr 1 12 angebracht ist. In einer Messrohroberfläche 1 18 des Messrohrs 1 16 sind zwei Ultraschallwandler 120, 122 längs zur Strömungsrichtung 1 14 zueinander versetzt angeordnet. Diese Ultraschallwandler 120, 122 sind in Figur 1 auch mit den Buchstaben A und B bezeichnet. Die Ultraschallwandler 120, 122 senden sich gegenseitig Ultraschallwellen über einen Reflektor 124 mit einer Reflexionsfläche 126 zu. Hierbei ergibt sich ein V-förmiger, gewünschter Schallpfad 128, welcher in Figur 1 strichpunktiert dargestellt ist. Weiterhin ist in Figur 1 ein parasitärer, gepunktet dargestellter W-förmiger Schallpfad 130 gezeigt, welcher sich durch Mehrfachreflexionen an der Reflexionsfläche 126, mit dazwischen geschalteter Reflexion an der Messrohroberfläche 1 18, ergibt. Über die Laufzeiten der Schallwellen von A nach B und umgekehrt wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V und daraus der Volumenstrom und/oder der Massenstrom ermittelt. Je nach Richtcharakteristik der Ultraschallwandler 120, 122 und je nach Strahlverwehung aufgrund des strömenden Mediums ergeben sich, zu- sätzlich zu dem gewünschten V-förmigen Schallpfad 128, ein oder mehrere unerwünschte Schallpfade, beispielsweise der dargestellte W-förmige oder M-förmige parasitäre Schallpfad 130.
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine mögliche zeitliche Abfolge der Ultraschallmessungen. Dargestellt ist in diesen Figuren jeweils die Schallintensität I an beiden Ultraschallwandlern 120, 122 als Funktion der Zeit t, aufgeteilt in die am Ultraschallwandler A emittierten Schallwellen (Figur 2A) bzw. die am Ultraschallwandler B emittierten Schallwellen (Figur 2B). Zuerst wird an Ultraschallwandler A gesendet (Figur 2A, fett gezeichnete Kurve), und der Schall dann über den V-förmigen Schallpfad 128 nach B übertragen (dünn gezeichnete Kurve in Figur 2A). Normalerweise wird der an B emp- fangene Schall nicht komplett in ein elektrisches Signal umgesetzt, sondern ein Großteil der Schallenergie wird am empfangenden Ultraschallwandler wieder zurückreflektiert und trifft dann wieder bei A auf (gepunktet gezeichnet), wird dort wiederum reflektiert und gelangt wieder zu B etc. Wird an B gesendet (Figur 2B, fett gezeichnete Kurve), während der von A gesendete und an B reflektierte Schall gerade wieder zu A zu- rückgekommen ist, dann trifft der an B gesendete Schall in A ein, während dort kein reflektierter, störender Schall vom letzten Sendevorgang (A) vorliegt, sondern nur vom vorletzten Sendevorgang (B). Der entsprechende Störschall ist zu diesem Zeitpunkt bereits vier Mal an den Ultraschallwandlern 120, 122 reflektiert worden und entsprechend abgeschwächt. Zusätzlich kann durch eine variable Messwiederholrate der Ein- fluss dieses vier Mal reflektierten Störschalls weiter reduziert werden, indem über mehrere Messungen gemittelt wird, die in leicht unterschiedlichen zeitlichen Abständen z.B. innerhalb der Variationsbreite einer Ultraschallperiode durchgeführt wurden. Auf diese Weise kann die Messwiederholrate, wie in den Figuren 2A und 2B, relativ hoch gewählt werden, ohne dass für eine einzelne Messung so lange zugewartet werden muss, bis alle von vorherigen Sendeereignissen herrührenden Echos abgeklungen sind.
Allerdings sind bei der Darstellung in den Figuren 2A und 2B parasitäre W- bzw. M- förmige Schallpfade oder andere parasitäre Schallpfade noch nicht berücksichtigt. Diese Pfade sind beispielsweise ungefähr doppelt so lang wie der V-förmige Schallpfad 128, so dass bei fortlaufenden wiederholten Messungen in zeitlich kurzem Abstand, wie in den Figuren 2A und 2B, zusätzliche Störsignale entstehen und einen Messfehler verursachen. Diese parasitären Schallpfade entstehen vor allem dann, wenn zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 eine reflektierende Oberfläche, beispielsweise eine reflektierende Messrohroberfläche 1 18, vorliegt. Dies kann, abweichend zu Figur 1 , auch bei anderen Geometrien auftreten, wie beispielsweise in den Figuren 3 bis 5 dargestellt. Diese Figuren zeigen wiederum Ultraschallströmungsmesser 1 10 ähnlich zu dem in Figur 1 gezeigten Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Den gezeigten Geometrien ist die Eigenschaft gemeinsam, dass insbesondere ungefähr in der Mitte zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 Flächenanteile mit einer Normalen-Richtung vorliegen, die in etwa antiparallel zum Hauptnormalenvektor der Reflexionsfläche 126 ist. In Figur 5 ist zwar eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher eine Wölbung zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 vorliegt, die auch beispielsweise aerodynamische Vorteile bieten kann und gleichzeitig auch Schall leicht streut. Allerdings liegt immer noch ein Normalenvektor antiparallel zum Normalenvektor der Reflexionsfläche 126 vor, und zwar unter anderem im kritischen Bereich ca. in der Mitte zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122. Dies ist in der Regel selbst dann der Fall, wenn die Messrohroberfläche 1 18 zwischen den Ultraschalandlern 120, 122 durchgängig eine leichte Krümmung oder Wölbung aufweist.
In den Figuren 6A bis 8 ist hingegen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ultraschallströmungssensors 1 10 dargestellt. Die Rippen sind hier mit der Bezugsziffer 140 gekennzeichnet. Diese Unterteilung der Ablenkflächen 134, 136 durch die Rippen-Struktur der Rippen 140, welche bis zum Boden des Strömungsrohrs 1 12 reichen können oder auch lediglich teilweise in die Ablenkflächen 134, 136 eingelassen sein können, kann beispielsweise die aerodynamischen Eigenschaften des Ultraschallströmungssensors 1 10 begünstigen und außerdem eine zusätzliche Schallstreuung oder teilweise Schallauslöschung durch Interferenz der an den einzelnen Rippen 140 gestreuten bzw. reflektierten Schallwellen bewirken.
In den Figuren 9A und 9B sind alternative Ausführungsformen der Kontur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 in Form von Höhenlinien symbolisch dargestellt. Dabei ist gezeigt, dass die Ultraschallwandler 120, 122 auch seitlich, quer zur Strömungsrichtung 1 14 gegeneinander versetzt angeordnet sein können. Die Ausläufer der Kontur der Ablenkvorrichtung 132 können sich dabei zumindest teilweise bis seitlich neben die Ultraschallwandler 120, 122 erstrecken. Die Ultraschallwandler 120, 122 können hierbei auch quer zur Strömungsrichtung 1 14 nebeneinander versetzt angeordnet sein (Figur 9A) und/oder bezüglich ihrer gegenseitigen direkten Ausrichtung verschoben bzw. gegeneinander verkippt sein (Figur 9B). Diese Ausgestaltungen können einerseits dafür sorgen, dass mehrmalig zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 reflektierte Echos reduziert werden und andererseits kann erreicht werden, dass eine Wirbelschleppe des einen Ultraschallwandlers 120 nicht den anderen Ultraschallwandler 122 trifft.
In den Figuren 10A und 10B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors 1 10 gezeigt, bei welchem die Ablenkvorrichtung 132 mindestens eine Reflexionsbarriere 152 umfasst. Dabei zeigt Figur 10A eine Draufsicht auf die Mess- rohroberfläche 1 18, in welcher die Ultraschallwandler 120,122 aufgenommen sind, wohingegen Figur 10B eine perspektivische Teilansicht der Anordnung zeigt.
Aus diesen Darstellungen geht hervor, dass die Reflexionsbarriere 152 grundsätzlich eine Struktur ist, welche aus der Messrohroberfläche 1 18 hervorragt und mindestens zwei Ablenkflächen 134, 136 umfasst, welche sehr steil zur Messrohroberfläche 1 18 verlaufen. Beispielsweise können diese Ablenkflächen 134, 136 unter einem Winkel von 70° bis 1 10°, insbesondere von 80° bis 90°, zur Messrohroberfläche 1 18 verlaufen. Die Reflexionsbarriere 152 kann sich beispielsweise um eine Höhe H zwischen 1 ,0 mm und 20 mm in die Strömung des Fluidenmediums hinein erstrecken. Weiterhin kann die
Reflexionsbarriere 152 beispielsweise eine Länge I in Strömungsrichtung 1 14 aufweisen, welche beispielsweise 1 ,0 mm bis 50 mm betragen kann.
Weiterhin kann die Reflexionsbarriere 152 insbesondere im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 1 14 angeordnet sein, wie insbesondere aus der Darstellung in Figur 10A exemplarisch hervorgeht. Unter„im Wesentlichen parallel" kann dabei auch eine Abweichung von der Parallelität um nicht mehr als 20°, vorzugsweise um nicht mehr als 10° und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5° verstanden werden. Die Reflexionsbarriere 152 kann insgesamt sehr schmal ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer Breite b senkrecht zur Strömungsrichtung 1 14, welche nicht mehr als 5,0 mm beträgt, beispielsweise 0,5 bis 3,0 mm.
Wie ebenfalls aus den Figuren 10A und 10B hervorgeht, kann die Reflexionsbarriere 152 insbesondere schräg zur Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 verlaufen, welche in den Figuren 10A und 10B mit L bezeichnet ist. Beispielsweise kann die Längserstreckungsrichtung der Strömungsbarriere, welche in den Figuren 10A und 10B mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet ist, die Verbindungslinie L unter einem Winkel von 5° bis 60°, insbesondere von 20° bis 45°, schneiden. Wird eine dachartige Struktur mit Rippen 140, beispielsweise Lamellen, wie in Figur 8, oder auch eine Anordnung ohne Lamellen gewählt, dann kann dieses "Dach" der Ablenkvorrichtung 132 auch zusätzlich so verkippt werden, dass die Schnittlinie 130 zwischen den Ablenkflächen 134, 136, welche als "Firstlinie" dieses Dachs ausgestaltet sein kann, nicht senkrecht zur Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 steht. Diese Ausgestaltung kann auch in den übrigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung realisiert werden, beispielsweise in den Ausführungsbei- spielen gemäß den Figuren 1 1 bis 14. So beschreibt Figur 1 1 eine Ausgestaltung ähnlich zum Ausführungsbeispiel in Figur 9B, wobei die Ablenkflächen 134, 136 zusätzlich eine Unterstrukturierung 142 aufweisen können, beispielsweise in Form von Rippen oder Rillen, beispielsweise in Form einer kleineren Grobstruktur oder in Form einer Feinstruktur. Figur 12 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Figur 1 1 , bei welchem ebenfalls eine Unterstrukturierung 142 vorgesehen ist, beispielsweise in Form von Stufen. In Figur 13 ist ein Ausführungsbeispiel analog zum Ausführungsbeispiel in Figur 9A gezeigt, bei welchem ebenfalls wiederum optional eine Unterstrukturierung 142 vorgesehen ist, in diesem Fall beispielsweise wiederum in Form von Stufen. Eine Unterstrukturierung 142, beispielsweise in Form einer Grobstruktur auf kleinerem Maßstab oder einer Feinstruktur, kann allgemein optional bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in den Ablenkflächen 134, 136 vorgesehen sein. Eine derartige Unterstrukturierung 142 unterteilt die Grobstruktur, welche durch die Ablenkflächen 134, 136 vorgegeben ist, in kleinere Flächen, beispielsweise Teilflächen, Vertie- fungen, Rillen oder ähnliches. Vorzugsweise ist die Tiefe dieser Unterstrukturierung
142 in der Größenordnung der Ultraschall-Wellenlänge in dem fluiden Medium, beispielsweise in dem die Tiefe der Unterstrukturierung 142 das 5-fache dieser Wellenlänge nicht überschreitet, vorzugsweise das 3-fache oder sogar das 2-fache. In Figur 14 ist noch einmal eine Grundstruktur des dachartigen Aufbaus der Ablenkvorrichtung 132 gezeigt. Wie oben dargestellt, kann die durch die Ablenkflächen 134, 136 dieser Ablenkvorrichtung 132 vorgegebene Grobstruktur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 als Oberflächen-Unterstrukturierung 142 zusätzlich Rillen 144 aufweisen, wie dies in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 15 exemplarisch dargestellt ist. Diese Rillen 144 können Flächenabschnitte 146 definieren, beispielsweise Flächenabschnitte 146 auf den Stegen zwischen den Rillen 144 und Flächenabschnitte 146 zwischen diesen Stegen. Benachbarte Flächenabschnitte 146 können dabei eher senkrecht aufeinander treffen, wie dies beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 15 zumindest näherungsweise der Fall ist, oder auch schräg, wie dies in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 16 gezeigt ist. Schräg aufeinander treffende
Flächenabschnitte verbessern die Streuwirkung bezüglich des parasitären Schalls. Dies ist in Figur 17 skizziert. Figur 17 stellt einen Querschnitt durch eine der Ablenkflächen 134, 136 dar, aus welchem diese Flächenabschnitte 146 erkennbar sind. Hierbei sind vor allem Unterstrukturierungen 142 vorteilhaft, welche Tiefendimensionen und/oder Lateraldimensionen in der Größenordnung der Schallwellenlänge im strömenden Medium aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von λ/4. Dies ist an- hand der Figur 18 nochmals dargestellt, welche eine zu Figur 17 alternative Ausgestaltung der Flächenabschnitte 146 zeigt. Bei einer derartigen Dimensionierung ergeben sich Phasenverschiebungen der reflektierten Schallanteile, die sich zumindest teilweise gegenseitig durch Interferenz auslöschen. Alternativ zu der in Figur 17 gezeigten dach- förmigen Unterstrukturierung oder der in Figur 18 gezeigten Unterstrukturierung sind in den Figuren 19A bis 19F verschiedene weitere Ausgestaltungen gezeigt. Außer Unter- strukturierungen 142 mit einer Hauptausrichtung, beispielsweise Rillenstrukturen wie zuvor beschrieben, sind auch Unterstrukturierungen 142 mit mehreren Hauptausrichtungsachsen oder annähernd isotrop in der Fläche verteilten Strukturen wie z.B. gitter- artigen Strukturen oder scheinbar ungeordnet angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen denkbar. Unabhängig von der Wahl solcher Unterstrukturierung ist in den Figuren 20A (perspektivische Darstellung) und 20B (Draufsicht) eine Grobstruktur zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 dargestellt, die als Ablenkvorrichtung 132 wirkt und anstelle einer "Firstlinie" eine Spitze 148 aufweist. Diese Spitze 148 kann beispielsweise eine pyramidale Struktur mit drei, vier oder mehr Ablenkflächen 150 abschließen. Wird eine solche Struktur, wie in den Figuren 20A und 20B, gegenüber der Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 ausgerichtet, dann werden W-förmige parasitäre Schallanteile nicht nur in Strömungsrichtung bzw. in Richtung der Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122, sondern auch mit einer Komponente quer dazu abgelenkt.
In Figur 21 ist eine Abwandlung der in Figur 20B dargestellten Anordnung gezeigt. Diese Abwandlung weist die Querablenkung nur an zwei von vier Ablenkflächen 150 in Form von Pyramidenflächen auf, zeigt in den meisten Anwendungsfällen jedoch immer noch eine ausreichende Ablenkwirkung. Gerade letztere Geometrie gemäß Figur 21 weist zusätzlich den Vorteil auf, dass diese besonders gut mit den Einbautaschen für die üblicherweise schräg eingebauten Ultraschallwandler 120, 122 in der Messrohroberfläche 1 18 vereinbar ist. In diesem Fall bietet es sich an, die pyramidale Struktur zu krümmen und/oder zu verzerren, so dass diese nur in der Spitze 148 wirklich pyra- midenförmig ist. Dies ist anhand der perspektivischen Darstellung in Figur 22A verdeutlicht, wobei Figur 22B eine Schnittdarstellung der Messrohroberfläche 1 18 senkrecht zu einer Verbindungslinie L zwischen den Ultraschallwandlern 120, 122 zeigt. Hierbei wurde die pyramidale Struktur der Ablenkvorrichtung 132 durch sich schneidende Zylinderoberflächen der Messrohroberfläche 1 18 erzeugt. Alternativ können auch Kegel- flächen oder auch andere gerade oder gekrümmte Flächen verwendet werden, welche einander schneiden und so die Ablenkvorrichtung 132, vorzugsweise mit einer Spitze 148, bilden. Auch bei dem in Figur 22A gezeigten Aufbau weist jede der vier "Dachflächen", welche die Ablenkflächen 150 bilden, eine Ausrichtung auf, deren Normalenrichtung in und/oder gegen und/oder quer zur Strömungsrichtung deutlich vom Vektor antiparallel zur Normalenrichtung der Reflexionsfläche 126 abweicht, wodurch parasitäre Schallbeiträge vermieden werden können.

Claims

Ansprüche
1 . Ultraschallstromungssensor (1 10) zum Einsatz in einem fluiden Medium, umfassend mindestens zwei längs zu einer Strömung versetzt zueinander in einem Strömungsrohr (1 12) des fluiden Mediums angeordnete Ultraschallwandler (120, 122), weiterhin umfassend eine Reflexionsfläche (126), wobei die Ultraschallwandler (120, 122) eingerichtet sind, um sich gegenseitig über einfache Reflexion an der Reflexionsfläche (126) Ultraschallsignale zuzusenden, wobei weiterhin zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) eine Ablenkvorrichtung (132) vorgesehen ist, wobei die Ablenkvorrichtung (132) eingerichtet ist, um von der Reflexionsfläche (126) reflektierte und auf die Ablenkvorrichtung (132) auftreffende parasitäre Ultraschallsignale durch Ablenkung von den Ultraschallwandlern (120, 122) weg im Wesentlichen zu unterdrücken.
2. Ultraschallstromungssensor (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ablenkvorrichtung (132) zumindest in einem mittleren Drittel einer Verbindungsstrecke zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) angeordnet ist.
3. Ultraschallstromungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) mindestens eine Ablenkfläche (134, 136; 150) aufweist.
4. Ultraschallstromungssensor (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Flächennormalen der Ablenkfläche (134, 136; 150) mit einer Flächennormalen der Reflexionsfläche (126) Winkel einschließen, welche im Mittel über den Betrag dieser Winkel größer sind als 10°.
5. Ultraschallstromungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) zumindest teilweise durch eine Messrohroberfläche (1 18) zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) gebildet wird.
6. Ultraschallstromungssensor (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messrohroberfläche (1 18) zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) in Rieh- tung einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) in drei Flächenbereiche einteilbar ist, wobei eine Ausdehnung der drei Flächenbereiche längs und quer zu der Verbindungslinie jeweils 1/3 der Länge der Verbindungslinie beträgt, wobei ein über den mittleren dieser drei Flächenbereiche im Betrag gemit- telter Winkel zwischen einer Flächennormalen der Reflexionsfläche (126) und den Flächennormalen der Messrohroberfläche (1 18) größer als 10° ist.
7. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) mindestens eine Form aufweist, ausgewählt aus einer der folgenden Formen: eine Dachform; eine Pyramidenform; eine Dachform mit gekrümmten Dachflächen als Ablenkflächen (134, 136; 150); eine Pyramidenform mit gekrümmten Pyramidenflächen als Ablenkflächen (134, 136; 150); eine Pyramidenform mit Zylinderflächen als Ablenkflächen (134, 136; 150); eine in die Strömung hineinragende Spitze; eine Sägezahnform.
8. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) mindestens eine Ablenkfläche (134, 136; 150) mit einer Unterstrukturierung aufweist, wobei die Unterstukturierung eine oder mehrere der folgenden Strukturen aufweist: eine Mehrzahl von Rippen; eine Mehrzahl von Rillen; ein Gitter; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Flächen; eine Unterstrukturierung mit einer Mehrzahl von Formen gemäß dem vorhergehenden Anspruch..
9. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) mindestens eine Reflexionsbarriere (152) um- fasst.
10. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (132) mindestens zwei Ablenkflächen (134, 136; 150) aufweist, die sich in mindestens einer Schnittlinie schneiden, wobei die Schnittlinie unter einem von 90° verschiedenen Winkel zu einer Verbindungslinie zwischen den Ultraschallwandlern (120, 122) angeordnet ist.
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