EP4200581A1 - Ultraschall-messgerät und verfahren zur herstellung - Google Patents

Ultraschall-messgerät und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP4200581A1
EP4200581A1 EP21746428.8A EP21746428A EP4200581A1 EP 4200581 A1 EP4200581 A1 EP 4200581A1 EP 21746428 A EP21746428 A EP 21746428A EP 4200581 A1 EP4200581 A1 EP 4200581A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
support body
measuring device
measuring tube
support
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Withdrawn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
EP21746428.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Berberig
Andreas Berger
Manuel MARTINI
Achim Stark
Rudolf Braun
Jens Rautenberg
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 EP4200581A1 publication Critical patent/EP4200581A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • 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
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/14—Casings, e.g. of special material

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic measuring device for measuring at least one property of a medium located in a measuring tube and a manufacturing method for a component of such an ultrasonic measuring device.
  • ultrasonic measuring devices for example DE102018133066A1 shows an ultrasonic measuring device in which a measuring tube with a rectangular cross section has a flat wall in sections, on which ultrasonic transducers are arranged.
  • a measuring tube with a rectangular cross section has a flat wall in sections, on which ultrasonic transducers are arranged.
  • Such an implementation has the disadvantage that the wall in the flat area reacts very sensitively to high media pressures and bulges.
  • the object of the invention is to propose an ultrasonic measuring device which can also be used at high media pressures.
  • the object is achieved by an ultrasonic measuring device according to independent claim 1 and by a method according to independent claim 14.
  • the measuring tube with a measuring tube wall and a measuring tube lumen; wherein the measuring tube wall has at least one acoustic area, each with at least one coupling area, in which the measuring tube wall is flat and has a constant first wall thickness, which first wall thickness is less than a wall thickness in an area surrounding the acoustic area, the acoustic area being set up for this purpose, to be excited at least in sections to Lamb oscillations;
  • At least one ultrasonic transducer with each ultrasonic transducer being arranged in a coupling area, with the ultrasonic transducer being set up to excite or induce Lamb oscillations in the respective coupling area.
  • an electronic measuring/operating circuit for operating the ultrasonic transducer and for creating and providing measured values of the property of the medium, with a support device being set up to support the acoustic area at least in sections against media pressure, with at least one support body being set up to be generated by media pressure To absorb forces, the support body having at least one decoupling device which is set up to reduce ultrasound coupling of at least one associated acoustic region into the support body and vice versa.
  • a support body without a decoupling device would have a disruptive effect on the propagation of the Lamb vibrations in the acoustic range of the measuring tube wall, since these vibrations would enter the support body in a non-negligible manner. Conversely, ultrasonic vibrations could also enter the acoustic range via the support body.
  • the decoupling device therefore ensures good functioning of the ultrasonic measuring device even under high media pressure.
  • the ultrasonic measuring device is set up to measure at least one of the following measured variables: an ultrasonic signal propagation time, an ultrasonic signal propagation time difference between ultrasonic transducers of an ultrasonic transducer pair, an ultrasonic signal Doppler shift or ultrasonic signal amplitude, and to derive measured values for the at least one media property from this .
  • variables such as the flow rate or the speed of sound of the medium can be determined, for example.
  • an acoustic impedance of the medium can be derived from the amplitude.
  • a flow rate can also be determined from the ultrasonic signal Doppler shift, for example.
  • the support body encompasses an acoustic area of the measuring tube in at least one cross section and covers the acoustic area at least in sections.
  • the decoupling device comprises a damping device which is set up to dampen ultrasound penetrating into the support body or ultrasound passing out of the support body into the acoustic range.
  • the damping device has cavities which are filled, for example, with a gas such as air.
  • a surface of the decoupling device has an uneven contour and provides support points or support lines or support surfaces.
  • the ultrasonic measuring device is suitable for measuring media properties at media pressures of up to at least 25 bar, and in particular at least 51 bar and preferably at least 68 bar.
  • the ultrasonic transducers are interdigital transducers.
  • the interdigital transducers are covered by a supporting body.
  • a damping element is arranged between the support body and the interdigital transducer, with the support body being set up to press the damping element against the interdigital transducer.
  • the support body has a support element, with the decoupling device being designed as a decoupling element, with the support element having a receptacle for the decoupling element, in which the decoupling element is arranged.
  • the support device is carried by the measuring tube.
  • the support element or the support body is in several parts, with individual parts being detachably attached to one another.
  • the measuring device has at least one pair of ultrasonic transducers, each of which is arranged in a coupling area.
  • the support body is produced by casting, casting tools being placed on the measuring tube.
  • a decoupling element is fixed in an acoustic area and is enclosed in the cast by the cast.
  • FIG. 1 shows an oblique view of an exemplary ultrasonic measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of a measuring tube of the ultrasonic measuring device according to the invention with a partial cutaway;
  • Fig. 3 shows a detail view of the cut
  • 4.1 shows an oblique view of an exemplary embodiment of a measuring tube of an ultrasonic measuring device according to the invention
  • FIGS. 4.1 and 4.2 shows an oblique view of a component of the support body shown in FIGS. 4.1 and 4.2;
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a support body according to the invention
  • FIG. 6 shows an oblique view of an alternative embodiment of the component of the support body shown in FIG. 4.3;
  • figs 7.1 and 7.2 outline two exemplary possible configurations of the support body according to the invention.
  • figs 8.1 and 8.2 outline a manufacturing method according to the invention, in which the support body is cast on around the measuring tube.
  • 1 shows an oblique view of an ultrasonic measuring device, which has a measuring tube 10, a housing 50 and an electronic measuring/operating circuit 30 arranged in the housing.
  • the electronic measuring/operating circuit is set up to operate ultrasonic transducers (see Fig. 4.1) of the ultrasonic measuring device and to create and provide measured values of the property of the medium.
  • FIG. 2 shows a side view of the measuring tube 10 shown in FIG. 1 with a partial section, the measuring tube having a measuring tube wall 11 with an acoustic area 11.1 and a measuring tube lumen containing the medium.
  • the measuring tube wall is flat and has a constant first wall thickness, which first wall thickness is less than a wall thickness in an area surrounding the acoustic range, with the acoustic range being set up to be excited to Lamb oscillations at least in sections.
  • a measuring tube can also have more than one acoustic area, with each acoustic area being assigned at least one ultrasonic transducer.
  • the wall thickness of the acoustic area depends on the material properties of the measuring tube and on the frequency or a frequency range of the ultrasonic signals generated by the ultrasonic transducers. In the case of steel, for example, the wall thickness is in the range of 1 millimeter at a central frequency of the ultrasonic signals of 1.5 MHz. At 0.5 MHz it's about 3 millimeters. The person skilled in the art is able to transfer this to his own implementation.
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of the section of the measuring tube shown in FIG. 2 .
  • the ultrasonic converters can, for example, also each have a coupling element and a converter element, as schematically outlined in DE102018133066A1.
  • the ultrasonic transducers are each arranged in a coupling area 11.11 of an associated acoustic area 11.1 and set up in the respective To generate coupling areas Lamb vibrations or to detect Lamb vibrations.
  • Ultrasonic signals are coupled into the medium or decoupled from the medium by means of the Lamb oscillations.
  • media properties can be determined by evaluating detected Lamb vibrations. For example, a flow rate and/or sound velocity of the medium can be determined from a transit time difference. Further media properties can be derived from the speed of sound.
  • a support device 40 comprising a support body 41 is set up to support the acoustic areas against high media pressure, so that reliable operation of the ultrasonic measuring device is ensured even with such media pressures.
  • a flow meter according to the invention can only have an ultrasonic transducer, with a measurement of an ultrasonic signal Doppler shift or a signal propagation time being used to measure a media property.
  • FIG. 4.2 shows a schematic cross section through the support body shown in FIG. 4.1, the support body resting on the measuring tube wall 11 in the area of the acoustic areas 11.1. Stop surfaces 14 of the measuring tube offer the support body a hold for precise positioning.
  • the support body can be designed in two parts, so that the support body can be easily mounted on the measuring tube, for example by means of a screw connection, as indicated.
  • the support body can be made of carbon steel or stainless steel. For example, individual parts can be machined castings.
  • the support body can also be mounted/attached to the measuring tube by casting.
  • the support body has a decoupling device 42 which is set up to reduce acoustic coupling between the acoustic area of the measuring tube and the support body. Concrete example configurations of these decoupling devices are shown in FIGS. 7.1 and 7.2 received.
  • FIG. 4.3 shows an oblique view of a part of the support body shown in FIG. 4.2, which offers a stop surface 41.2 for a stop surface 14 of the measuring tube.
  • the damping device can be, for example, as shown here, an acoustically damping insert arranged in a respective receptacle.
  • This insert can be fixed, for example, and pressed against the measuring tube by means of the support element.
  • the insert can comprise at least one of the following materials: PTFE, graphite, epoxy resin, epoxy resin mixed with metal/metal oxide powder, for example, CFC (carbon fiber reinforced plastic), polyurethane, cork.
  • the insert can also have a paste or a gel.
  • a configuration of the support body corresponding to that in FIG. 5 can also be used in interdigital transducers, the support body being set up to press the damping device against the interdigital transducer.
  • Fig. 6 shows an oblique view of a part of the support body shown in Fig. 4.2 with an exemplary embodiment of the decoupling device 42, which is equipped with a damping device 42.1 with a large number of cavities 42.11, such as bores or holes, which cavities are spatially close to are arranged in a contact area with the acoustic area.
  • the cavities scatter and break up ultrasonic waves, so that only little coherent ultrasonic energy can be exchanged between the measuring tube and the support body.
  • a surface of the decoupling device in the contact area with the measuring tube can be used, as shown in Figs. 7.1 and 7.2, and thus to reduce an exchange of ultrasonic waves between the support body and the acoustic area of the measuring tube.
  • the surface can have a large number of pyramidal or cylindrical projections, which are arranged regularly, for example. By reducing the contacts to points or lines or small areas, the exchange of ultrasonic waves can be good be diminished.
  • the surface can be produced, for example, by milling or selective application of material or similar production methods.
  • the production of the support body or part of the support body shown here is done, for example, at least partially by milling, drilling or selective material application such as 3D printing or laser melting.
  • the support bodies shown here are not to be interpreted as restrictive.
  • the person skilled in the art can adapt the inventive idea of the acoustic decoupling between the support body and the measuring tube to his needs. This also applies to the number and arrangement of the support bodies on the measuring tube.
  • 8.1 and 8.2 outline an exemplary embodiment of a one-piece support body 41, which is attached to the measuring tube by means of casting.
  • various molds 60 are created during production, which leave a hollow space that defines the supporting body and is filled with a casting material.
  • the cast material preferably has an acoustically dampening effect, such as an aluminum foam or an epoxy resin or the like.
  • the molds can be held by a retaining ring 61, for example. After casting, protruding sprue funnels or overflows (as shown) are removed after the casting has hardened.
  • the ultrasonic measuring device is suitable for measuring media properties at media pressures of up to at least 25 bar, and in particular at least 51 bar and preferably at least 68 bar.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Messgerät (1) zur Messung von Eigenschaften eines in einem Messrohr befindlichen Mediums umfassend: Das Messrohr (10) mit einer Messrohrwandung (11) und einem Messrohrlumen (12); wobei die Messrohrwandung zumindest einen akustischen Bereich (11.1) aufweistwobei der akustische Bereich dazu eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise zu Lambschwingungen angeregt zu werden; Mindestens ein Paar Ultraschallwandler (20), wobei die Ultraschallwandler jeweils in einem Koppelbereich (11.11) angeordnet sind, wobei die Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, in den jeweiligen Koppelbereichen Lambschwingungen anzuregen bzw. Lambschwingungen zu detektieren, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30), wobei eine Stützvorrichtung (40) dazu eingerichtet ist, den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise gegen Mediendruck zu stützen, wobei zumindest ein Stützkörper (41) dazu eingerichtet ist, durch Mediendruck erzeugte Kräfte aufzunehmen, wobei der Stützkörper zumindest eine Entkopplungsvorrichtung (42) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Ultraschalleinkopplung von zumindest einem zugehörigen akustischen Bereich in den Stützkörper und umgekehrt zu vermindern.

Description

Ultraschall-Messgerät und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Messgerät zur Messung von mindestens einer Eigenschaft eines in einem Messrohr befindlichen Mediums sowie ein Herstellungsverfahren eines Bauteils eines solchen Ultraschall-Messgeräts.
Ultraschall-Messgeräte gibt es in vielen Varianten, so zeigt die DE102018133066A1 ein Ultraschall-Messgerät, bei welchem ein Messrohr mit rechteckigem Querschnitt abschnittsweise eine flach ausgestaltete Wandung aufweist, auf welcher Ultraschallwandler angeordnet sind. Eine solche Umsetzung hat den Nachteil, dass die Wandung im flach ausgestalteten Bereich sehr sensibel auf hohe Mediendrücke reagiert und sich wölbt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschall-Messgerät vorzuschlagen, welches auch bei hohen Mediendrücken einsatzfähig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 14.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip zur Messung von mindestens einer Eigenschaft eines in einem Messrohr befindlichen Mediums umfasst:
Das Messrohr mit einer Messrohrwandung und einem Messrohrlumen; wobei die Messrohrwandung zumindest einen akustischen Bereich mit jeweils zumindest einem Koppelbereich aufweist, in welchem die Messrohrwandung flach ist und eine konstante erste Wandstärke aufweist, welche erste Wandstärke geringer ist als eine Wandstärke in einer Umgebung des akustischen Bereichs, wobei der akustische Bereich dazu eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise zu Lambschwingungen angeregt zu werden;
Mindestens einen Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallwandler jeweils in einem Koppelbereich angeordnet sind, wobei der Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, in dem jeweiligen Koppelbereich Lambschwingungen anzuregen bzw.
Lambschwingungen zu detektieren, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Erstellen und Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft des Mediums, wobei eine Stützvorrichtung dazu eingerichtet ist, den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise gegen Mediendruck zu stützen, wobei zumindest ein Stützkörper dazu eingerichtet ist, durch Mediendruck erzeugte Kräfte aufzunehmen, wobei der Stützkörper zumindest eine Entkopplungsvorrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Ultraschalleinkopplung von zumindest einem zugehörigen akustischen Bereich in den Stützkörper und umgekehrt zu vermindern.
Ein Stützkörper ohne Entkopplungsvorrichtung würde die Ausbreitung der Lambschwingungen im akustischen Bereich der Messrohrwandung störend beeinflussen, da diese Schwingungen in nicht vernachlässigbarer Weise in den Stützkörper einträten. Umgekehrt könnten auch Ultraschallschwingungen über den Stützkörper in den akustischen Bereich übertreten. Die Entkopplungsvorrichtung gewährleistet daher auch unter hohem Mediendruck ein gutes Funktionieren des Ultraschall-Messgeräts.
Das Ultraschall-Messgerät ist dabei dazu eingerichtet zumindest einer der folgenden Messgrößen zu messen: eine Ultraschall-Signallaufzeit, eine Ultraschall-Signallaufzeit-Differenz zwischen Ultraschallwandlern eines Ultraschallwandlerpaars, eine Ultraschall-Signal- Dopplerverschiebung oder Ultraschallsignalamplitude, und daraus Messwerte für die mindestens eine Medieneigenschaft herzuleiten.
Aus der Signallaufzeit bzw. Signallaufzeitdifferenz lassen sich beispielsweise Größen wie Durchflussgeschwindigkeit oder Schallgeschwindigkeit des Mediums bestimmen. Aus der Amplitude lässt sich beispielsweise eine akustische Impedanz des Mediums herleiten. Aus der Ultraschall-Signal-Dopplerverschiebung lässt sich beispielsweise ebenfalls eine Durchflussgeschwindigkeit bestimmen.
In einer Ausgestaltung umgreift der Stützkörper das Messrohr in zumindest einem Querschnitt einen akustischen Bereich und überdeckt den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise. In einer Ausgestaltung umfasst die Entkopplungsvorrichtung eine Dämpfungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in den Stützkörper eindringenden Ultraschall bzw. aus dem Stützkörper in akustischen Bereich übertretenden Ultraschall zu dämpfen.
In einer Ausgestaltung weist die Dämpfungsvorrichtung Hohlräume auf, welche beispielsweise mit einem Gas wie beispielsweise Luft gefüllt sind.
In einer Ausgestaltung weist eine Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung eine unebene Kontur auf und bietet Stützpunkte bzw. Stützlinien bzw. Stützflächen.
In einer Ausgestaltung ist das Ultraschall-Messgerät dazu geeignet, eine Messung von Medieneigenschaften bei Mediendrücken bis mindestens 25 bar, und insbesondere mindestens 51 bar und bevorzugt mindestens 68 bar durchzuführen.
In einer Ausgestaltung sind die Ultraschallwandler Interdigitalwandler.
In einer Ausgestaltung sind die Interdigitalwandler von einem Stützkörper überdeckt.
In einer Ausgestaltung ist zwischen Stützkörper und Interdigitalwandler ein Dämpfungselement angeordnet, wobei der Stützkörper dazu eingerichtet ist, das Dämpfungselement gegen den Interdigitalwandler zu pressen.
In einer Ausgestaltung weist der Stützkörper ein Stützelement auf, wobei die Entkopplungsvorrichtung als ein Entkopplungselement ausgebildet ist, wobei das Stützelement eine Aufnahme für das Entkopplungselement aufweist, in welcher das Entkopplungselement angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung ist die Stützvorrichtung vom Messrohr getragen.
In einer Ausgestaltung ist das Stützelement bzw. der Stützkörper mehrteilig, wobei einzelne Teile lösbar miteinander befestigt sind.
In einer Ausgestaltung weist das Messgerät zumindest ein Paar Ultraschallwandler auf, welche jeweils in einem Koppelbereich angeordnet sind.
Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Laufzeitdifferenzmessung bzw. eine darauf basierende Durchflussmessung durchführen. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stützkörpers eines Ultraschallmessgeräts nach einem der vorigen Ansprüche, wird der Stützkörper durch Vergießen hergestellt wird, wobei Gusswerkzeuge am Messrohr angelegt werden.
In einer Ausgestaltung wird vor Vergießen des Stützkörpers ein Entkopplungselement in einem akustischen Bereich fixiert und durch das Vergießen im Verguss eingeschlossen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht auf ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Ultraschall- Messgerät;
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht auf ein Messrohr des erfinderischen Ultraschall- Messgeräts mit einem teilweisen Aufschnitt;
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Aufschnitts;
Fig. 4.1 zeigt eine Schrägansicht auf eine beispielhafte Ausgestaltung eines Messrohrs eines erfinderischen Ultraschall-Messgeräts;
Fig. 4.2 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Stützkörper;
Fig. 4.3 zeigt eine Schrägansicht auf ein Bauteil des in Fig. 4.1 und 4.2 gezeigten Stützkörpers;
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stützkörpers;
Fig. 6 zeigt eine Schrägansicht auf eine alternative Ausgestaltung des in Fig. 4.3 gezeigten Bauteils des Stützkörpers;
Figs. 7.1 und 7.2 skizzieren zwei beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungsmöglichkeiten des Stützkörpers;
Figs. 8.1 und 8.2 skizzieren ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, bei welchem der Stützkörper um das Messrohr herum angegossen wird. Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht auf ein Ultraschall-Messgerät, welches ein Messrohr 10, ein Gehäuse 50 und eine im Gehäuse angeordnete elektronische Mess- /Betriebsschaltung 30 aufweist. Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung ist zum Betreiben von Ultraschallwandlern (siehe Fig. 4.1) des Ultraschall-Messgeräts und zum Erstellen und Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft des Mediums eingerichtet.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht auf das in Fig. 1 gezeigte Messrohr 10 mit teilweisem Aufschnitt, wobei das Messrohr eine Messrohrwandung 11 mit einem akustischen Bereich 11.1 und ein das Medium fassende Messrohrlumen aufweist. Im akustischen Bereich ist die Messrohrwandung flach ist und weist eine konstante erste Wandstärke auf, welche erste Wandstärke geringer ist als eine Wandstärke in einer Umgebung des akustischen Bereichs, wobei der akustische Bereich dazu eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise zu Lambschwingungen angeregt zu werden. Ein Messrohr kann auch mehr als einen akustischen Bereich aufweisen, wobei jedem akustischen Bereich zumindest ein Ultraschalwandler zugeordnet ist.
Die Wandstärke des akustischen Bereichs hängt dabei von Materialeigenschaften des Messrohrs sowie von der Frequenz bzw. einem Frequenzbereich der von den Ultraschallwandlern erzeugten Ultraschallsignale ab. Bei Stahl beispielsweise gilt, dass bei einer Zentralfrequenz der Ultraschallsignale von 1.5 MHz die Wandstärke im Bereich von 1 Millimeter ist. Bei 0.5 MHz sind es ungefähr 3 Milimeter. Der Fachmann ist in der Lage dies auf seine eigene Umsetzung zu übertragen.
Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des in Fig. 2 gezeigten Aufschnitts des Messrohrs.
Fig. 4.1 zeigt eine Schrägansicht auf eine beispielhafte Ausgestaltung eines Messrohrs eines erfinderischen Ultraschall-Messgeräts, wobei das Messrohr zwei akustische Bereiche 11.1 mit jeweils einem Paar Ultraschallwandlern 20 aufweist, welche wie hier schematisch skizziert als Interdigitalwandler 21 ausgebildet sein können. Die Ultraschallwandler können beispielsweise aber auch jeweils ein Koppelelement und ein Wandlerelement aufweisen, wie in der DE102018133066A1 schematisch skizziert.
Die Ultraschallwandler sind jeweils in einem Koppelbereich 11.11 eines zugehörigen akustischen Bereichs 11.1 angeordnet und dazu eingerichtet in den jeweiligen Koppelbereichen Lambschwingungen zu erzeugen bzw. Lambschwingungen zu detektieren. Mittels der Lambschwingungen werden dabei Ultraschallsignale in das Medium eingekoppelt, bzw. aus dem Medium ausgekoppelt. Durch eine Beeinflussung der Ultraschallsignale durch das Medium können durch Auswertung detektierter Lambschwingungen Medieneigenschaften bestimmt werden. Beispielsweise kann aus einer Laufzeitdifferenz eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder Schallgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden. Aus der Schallgeschwindigkeit können weitere Medieneigenschaften abgeleitet werden.
Eine Stützvorrichtung 40 umfassend einen Stützkörper 41 ist dazu eingerichtet, die akustischen Bereiche gegen hohen Mediendruck zu stützen, so dass auch bei solchen Mediendrücken ein sicherer Betrieb des Ultraschall-Messgeräts gewährleistet ist.
Alternativ kann ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät nur einen Ultraschallwandler aufweisen, wobei eine Messung einer Ultraschall-Signal- Dopplerverschiebung oder eine Signallaufzeit zur Messung von einer Medieneigenschaft verwendet wird.
Fig. 4.2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den in Fig. 4.1 gezeigten Stützkörper, wobei der Stützkörper auf der Messrohrwandung 11 im Bereich der akustischen Bereiche 11.1 aufliegt. Anschlagflächen 14 des Messrohrs bieten dem Stützkörper einen Halt für genaue Positionierbarkeit. Wie hier dargestellt, kann der Stützkörper zweiteilig ausgestaltet sein, so dass sich der Stützkörper einfach am Messrohr beispielsweise wie angedeutet mittels einer Verschraubung montiert werden kann. Der Stützkörper kann dabei aus einem Kohlenstoffstahl oder einem Edelstahl hergestellt sein. Beispielsweise können einzelne Teile bearbeitete Gussbauteile sein.
Alternativ wie in Fig. 8.1 und 8.1 gezeigt, kann der Stützkörper auch durch Verguss am Messrohr montiert / angebracht werden. In den Auflagebereichen weist der Stützkörper jeweils eine Entkopplungsvorrichtung 42 auf, welche dazu eingerichtet ist, eine akustische Kopplung zwischen dem akustischen Bereich des Messrohrs sowie dem Stützkörper zu vermindern. Auf konkrete beispielhafte Ausgestaltungen dieser Entkopplungsvorrichtungen wird in Fig. 5, Fig. 6, sowie Figs. 7.1 und 7.2 eingegangen. Fig. 4.3 zeigt eine Schrägansicht auf ein in Fig. 4.2 gezeigtes Teil des Stützkörpers, welcher eine Anschlagfläche 41 .2 für eine Anschlagfläche 14 des Messrohrs bietet.
Fig. 5 skizziert eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung der Entkopplungsvorrichtung 42 anhand eines Querschnitts durch den Stützkörper 41 , wobei der Stützkörper ein Stützelement 41.1 mit zwei Aufnahmen 41 .11 sowie eine Entkopplungsvorrichtung 42 in Form einer Dämpfungsvorrichtung 42.1 aufweist. Die Dämpfungsvorrichtung kann beispielsweise wie hier dargestellt eine in jeweils einer Aufnahme angeordnete akustisch dämpfende Einlage sein. Diese Einlage kann beispielsweise fest sein und mittels des Stützelements gegen das Messrohr gedrückt sein. Beispielsweise kann die Einlage zumindest eines der folgenden Materialen umfassen: PTFE, Graphit, Epoxydharz, Epoxyharz beispielsweise mit Metall- /Metalloxidpulver gemischt, CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff), Polyurethan, Kork. Die Einlage kann aber auch eine Paste oder ein Gel aufweisen. Beispielsweise kann eine der in Fig. 5 entsprechende Ausgestaltung des Stützkörpers auch bei Interdigitalwandlern eingesetzt werden, wobei der Stützkörper dazu eingerichtet ist, die Dämpfungsvorrichtung gegen den Interdigitalwandler zu pressen.
Fig. 6 zeigt eine Schrägansicht auf ein in Fig. 4.2 gezeigtes Teil des Stützkörpers mit einer beispielhaften Ausgestaltung der Entkopplungsvorrichtung 42, welche durch eine Dämpfungsvorrichtung 42.1 mit einer Vielzahl von Hohlräumen 42.11 wie beispielsweise Bohrungen bzw. Löchern ausgestattet ist, welche Hohlräume in räumlicher Nähe zu einem Kontaktbereich mit dem akustischen Bereich angeordnet sind. Die Hohlräume streuen und brechen Ultraschallwellen, so dass nur wenig koheränte Ultraschallenergie zwischen Messrohr und Stützkörper ausgetauscht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung im Kontaktbereich mit dem Messrohr wie in Figs. 7.1 und 7.2 gezeigt strukturiert sein, und somit einen Austausch von Ultraschallwellen zwischen Stützkörper und akustischem Bereich des Messrohrs zu vermindern. Die Oberfläche kann wie dargestellt eine Vielzahl von pyramidischen oder zylindrischen Vorsprüngen aufweisen, welche beispielsweise regelmäßig angeordnet sind. Durch Reduktion der Kontakte auf Punkte oder Linien oder kleine Flächen kann der Austausch von Ultraschallwellen gut vermindert werden. Die Oberfläche kann beispielsweise durch Fräsen oder selektiven Materialauftrag oder ähnlichen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
Die Herstellung der hier dargestellten Stützkörper bzw. Teil des Stützkörpers geschieht beispielsweise zumindest teilweise durch Fräsen, Bohren oder auch selektivem Materialauftrag wie beispielsweise 3D-Druck oder Laserschmelzen. Die hier dargestellten Stützkörper sind nicht einschränkend auszulegen. Der Fachmann kann den erfinderischen Gedanken der akustischen Entkopplung zwischen Stützkörper und Messrohr an seine Bedürfnisse anpassen. Dies gilt auch im Hinblick auf Anzahl und Anordnung der Stützkörper am Messrohr.
Fig. 8.1 und 8.2 skizzieren eine beispielhafte Ausgestaltung eines einteiligen Stützkörpers 41 , welcher mittels Vergießen am Messrohr angebracht wird. Wie im Querschnitt in Fig. 8.2 gezeigt, werden dabei beim Herstellen verschiedene Gussformen 60 angelegt, welche einen den Stützkörper definierenden Hohlraum freilassen, welcher durch ein Gussmaterial gefüllt wird. Das Gussmaterial wirkt dabei bevorzugt akustisch dämpfend, wie beispielsweise ein Aluminiumschaum oder ein Epoxydharz oder ähnliches. Die Gussformen können dabei beispielsweise von einem Haltering 61 gehalten werden. Nach Gießen hervorstehende Angusstrichter bzw. Gussüberläufe (wie dargestellt) werden nach Aushärten des Vergusses entfernt.
Der Fachmann hat im Hinblick auf Anzahl und Anordnung der Stützkörper am Messrohr freie Wahl. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend auszulegen.
Durch Einrichten einer erfindungsgemäßen Stützvorrichtung ist das Ultraschall- Messgerät dazu geeignet, eine Messung von Medieneigenschaften bei Mediendrücken bis mindestens 25 bar, und insbesondere mindestens 51 bar und bevorzugt mindestens 68 bar durchzuführen. Bezugszeichenliste
1 Ultraschall-Messgerät
10 Messrohr
11 Messrohrwandung
11.1 akustischer Bereich
11.11 Koppelbereich
12 Messrohrlumen
14 Anschlagfläche
20 Ultraschallwandler
21 Interdigitalwandler
30 elektronische Mess-/Betriebsschaltung
40 Stützvorrichtung
41 Stützkörper
41.1 Stützelement
41.11 Aufnahme
41.2 Anschlagsfläche
42 Entkopplungsvorrichtung
42.1 Dämpfungsvorrichtung
42.11 Hohlräume
42.2 Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung
43 Entkopplungselement
44 Teil Gehäuse Gussform Haltering

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Messgerät (1) zur Messung von mindestens einer Eigenschaft eines in einem Messrohr befindlichen Mediums umfassend:
Das Messrohr (10) mit einer Messrohrwandung (11) und einem Messrohrlumen (12); wobei die Messrohrwandung zumindest einen akustischen Bereich (11.1) mit jeweils mindestens einem Koppelbereich (11.11) aufweist, wobei die Messrohrwandung im akustischen Bereich flach ist und eine konstante erste Wandstärke aufweist, welche erste Wandstärke geringer ist als eine Wandstärke in einer Umgebung des akustischen Bereichs,;
Mindestens einen Ultraschallwandler (20), wobei der Ultraschallwandler in einem Koppelbereich (11.11) angeordnet sind, wobei der Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, im jeweiligen Koppelbereich Lambschwingungen zu angeregt bzw.
Lambschwingungen zu detektieren, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30) zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Erstellen und Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft des Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützvorrichtung (40) dazu eingerichtet ist, den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise gegen Mediendruck zu stützen, wobei zumindest ein Stützkörper (41) dazu eingerichtet ist, durch Mediendruck erzeugte Kräfte aufzunehmen, wobei der Stützkörper zumindest eine Entkopplungsvorrichtung (42) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Ultraschalleinkopplung von zumindest einem zugehörigen akustischen Bereich in den Stützkörper und umgekehrt zu vermindern.
2. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 1 , wobei der Stützkörper (41) das Messrohr in zumindest einem Querschnitt einen akustischen Bereich (11.1 ) umgreift und den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise überdeckt.
3. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Entkopplungsvorrichtung (42) eine Dämpfungsschicht (42.1) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, in den Stützkörper eindringenden Ultraschall bzw. aus dem Stützkörper in den akustischen Bereich übertretenden Ultraschall zu dämpfen.
4. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 3, wobei die Dämpfungsschicht Hohlräume (42.1) wie beispielsweise Bohrungen oder Blasen aufweist, welche beispielsweise mit einem Gas wie beispielsweise Luft gefüllt sind.
5. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Oberfläche (42.2) der Entkopplungsvorrichtung eine unebene Kontur aufweist und Stützpunkte bzw. Stützlinien bietet.
6. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Ultraschall-Messgerät (1) dazu geeignet ist, eine Messung von Medieneigenschaften bei Mediendrücken bis mindestens 25 bar, und insbesondere mindestens 51 bar und bevorzugt mindestens 68 bar durchzuführen.
7. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (20) Interdigitalwandler (21) sind.
8. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 7, wobei die Ultraschallwandler von einem Stützkörper überdeckt sind.
9. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 8, wobei zwischen Stützkörper und Interdigitalwandler eine Dämpfungsvorrichtung angeordnet ist, wobei der Stützkörper dazu eingerichtet ist, die Dämpfungsvorrichtung gegen den Interdigitalwandler zu pressen.
10. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Stützkörper ein Stützelement (41.1) aufweist, wobei die
Entkopplungsvorrichtung als ein Entkopplungselement (42.3) ausgebildet ist, wobei das Stützelement eine Aufnahme (41 .11 ) für das Entkopplungselement aufweist, in welcher das Entkopplungselement angeordnet ist.
11 . Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Stützvorrichtung (40) vom Messrohr getragen ist.
12. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Stützelement (41.1) bzw. der Stützkörper (41) mehrteilig ist, wobei einzelne Teile (44) lösbar miteinander befestigt sind.
13. Ultraschall-Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Messgerät zumindest ein Paar Ultraschallwandler aufweist, welche jeweils in einem Koppelbereich angeordnet sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines Stützkörpers (41) eines Ultraschallmessgeräts (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Stützkörper durch Vergießen hergestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei vor Vergießen des Stützkörpers ein Entkopplungselement in einem akustischen Bereich (11.11) fixiert und durch das Vergießen im Verguss eingeschlossen wird.
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