WO2008152059A1 - Anpassungsschicht zur anbringung im schallstrahl eines clamp-on ultraschallsensors - Google Patents

Anpassungsschicht zur anbringung im schallstrahl eines clamp-on ultraschallsensors Download PDF

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WO2008152059A1
WO2008152059A1 PCT/EP2008/057294 EP2008057294W WO2008152059A1 WO 2008152059 A1 WO2008152059 A1 WO 2008152059A1 EP 2008057294 W EP2008057294 W EP 2008057294W WO 2008152059 A1 WO2008152059 A1 WO 2008152059A1
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WO
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coupling
sound
ultrasonic
ultrasonic sensor
mat
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PCT/EP2008/057294
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • 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
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Definitions

  • the invention relates to an adaptation layer for mounting in the sound beam of an ultrasonic sensor of a clamp-on flowmeter.
  • the matching layer may be between an ultrasonic sensor and the wall of a container, but it may also be introduced at any point in the sound path within the ultrasonic sensor.
  • the adaptation layer is designed such that measuring signals emitted by the ultrasonic sensor into the container or received by the ultrasonic sensor from the container pass through the adaptation layer largely lossless.
  • the offered and distributed by the applicant ultrasonic flow meters work according to the transit time difference principle.
  • running time difference principle the different duration of ultrasonic measurement signals, the medium in Flow direction and counter to the flow direction through, evaluated.
  • Two ultrasonic sensors arranged in the direction of the longitudinal axis of the pipeline transmit and receive the ultrasonic measuring signals alternately.
  • the flow rate and thus with a known diameter of the tube, the volume flow or at a known density of the medium the mass flow can be determined.
  • the ultrasonic measurement signals are at a predetermined angle in the pipeline in which the medium is, on or radiated.
  • the two ultrasound sensors In order for the largest possible proportion of the energy radiated into the container by an ultrasound transducer to be received in the other ultrasound sensor, the two ultrasound sensors must be placed virtually seamlessly on the pipeline - reflections otherwise occur at interfaces - and have a defined distance from one another.
  • the respective position of the ultrasonic sensors on the pipeline depends on the inner diameter of the pipeline and on the speed of sound of the medium. Other application parameters, some of which are of relatively great importance, include the wall thickness of the pipeline and the speed of sound of the material of the pipeline.
  • a liquid or gel-like coupling layer between the ultrasonic sensor and the outer surface of the pipeline to install Furthermore, it is state of the art to ensure a good transmission of the ultrasonic measurement signals via an elastomer.
  • a coupling layer made of an elastomer or a metal is described, for example, in DE 10 2004 52 489 A1.
  • a contact force is required, which is well above the contact pressure, which is required in the case of a coupling layer of a liquid or gel-like substance.
  • Ultrasonic flowmeters based on the Doppler principle a coupling layer between the clamp-on ultrasonic sensor and the outer surface of the pipeline must be arranged, since also the problem described above occurs.
  • clamp-on ultrasonic flowmeters based on the Doppler principle the ultrasonic measurement signals are reflected by impurities or bubbles in the medium. Thus, these measuring devices can only be used for special applications.
  • the volumetric flow rate of the medium through the pipeline can be determined.
  • the invention has for its object to provide a coupling medium or an adaptation layer between the ultrasonic sensor or flow box and the outer surface of the pipeline, which largely only the desired proportions of ultrasonic measurement signals happen while the unwanted proportions of the ultrasonic measurement signals largely be steamed.
  • the coupling layer is a coupling mat, which is designed as a filter, so that the proportions of the ultrasonic measurement signals, which are oriented in the input and Ausstrahlraum the ultrasonic measurement signals, the Koppelmatte pass approximately undisturbed, while the proportions of the ultrasonic measurement signals, which are oriented transversely to the input or Ausstrahlraum, are largely attenuated by the coupling mat.
  • a filter can be realized, which essentially only a defined propagation direction of the ultrasound Measurement signals allowed.
  • a coupling mat with embedded hard fibers - or even with liquid-filled channels or a liquid-filled chamber, with balls or holes - a filter can be realized, which essentially only a defined propagation direction of the ultrasound Measurement signals allowed.
  • the ratio is preferably greater than 1: 3. If the channels are filled with a liquid, the ratio is less critical, since here the transverse waves per se are strongly attenuated, so that mainly longitudinal waves are transmitted.
  • the hard fibers which - as stated - should have a defined ratio between diameter and length, or the channels are embedded in a defined orientation in a matrix of a damping and elastic material.
  • the preparation of the adjustment layer according to the invention for example by means of a loose glass fiber bundle - or generally a loose fiber bundle - done, which is soaked in a silicone compound and then cured.
  • the created rod of glass fibers or fibers, which are embedded in a damping and elastic matrix, is then preferably cut at a defined angle into thin layers or mats.
  • the matrix preferably consists of a closed-cell elastomer foam. It is possible, however Also, to use a matrix of a solid body, such as metal foam or ceramic foam.
  • the coupling mat consists of a damping and elastic material in which fibers or channels are embedded in a defined orientation.
  • the fibers are preferably so-called hard fibers, for example glass fibers.
  • Adaptation layer provides that the matrix consists of an elastomer, in particular a closed-cell elastomeric foam.
  • the liquid-filled channels are embedded with a defined orientation in a matrix of a sound-absorbing, elastic material.
  • a membrane of a sound-damping material is provided, which is provided with channels such that the orientation of the channels ensures optimum transmission of the ultrasonic measurement signals or the desired modes of the ultrasonic measurement signals or ultrasonic waves.
  • unwanted components and modes of the ultrasound measurement signals are filtered out, so that largely only the portions of the measurement signals used for measurement purposes, ie the signal components which are to be radiated into the pipeline in the direction of irradiation, pass the adaptation layer.
  • the liquid-filled channels preferably have a cross section corresponding to the cross section of the ultrasonic beam forming the ultrasonic measurement signals. Furthermore, it is proposed that the coupling mat in its thickness - taking into account the angle of the sound beam to the penetrated surface of the container - is tuned to the wavelength of the ultrasonic measurement signal. Preferably, the thickness corresponds to a quarter wavelength or an odd integer multiple the quarter wavelength of the ultrasonic measurement signals or the ultrasonic waves.
  • balls are provided in the coupling mat, which are embedded in a defined orientation in the sound-absorbing and elastic material.
  • holes are provided in the coupling mat, which are embedded in a predetermined orientation in the sound-absorbing and elastic material.
  • a coupling medium is applied between the matrix with the embedded fibers or the liquid-filled channels and the ultrasonic sensor or the outer surface of the container.
  • the coupling medium is preferably a silicone gel or special coupling grease, as is known in ultrasonic flow measurement.
  • Adaptation layer provides that the acoustic impedance Z ⁇ of the coupling mat or matching layer - determined at the frequency of the ultrasonic measurement signal - in a range which is between the impedance of the ultrasonic sensor Z s and the impedance Z R of the wall of the container.
  • the acoustic impedance of the matching layer preferably corresponds to the square root of the product of the two impedances Z R , Z s of the wall of the container and the ultrasonic sensor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the matching layer according to the invention with fibers
  • FIG. 1a shows a variant of the matching layer shown in FIG. 1, the fibers being oriented at an angle beta
  • FIG. 2 a schematic representation of a second embodiment the adaptation layer according to the invention with liquid-filled channels or areas
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the adaptation layer according to the invention with holes in a perspective view
  • FIG. 3a shows the embodiment shown in FIG. 3 in side view
  • FIG. 3b shows the detail B marked in FIG. 3a in an enlarged view
  • FIG. 3a shows a third embodiment of the adaptation layer according to the invention with holes in a perspective view
  • FIG. 3a shows the embodiment shown in FIG. 3 in side view
  • FIG. 3b shows the detail B marked in FIG. 3a in an enlarged view
  • 3c shows a fourth embodiment of the adaptation layer according to the invention with crossed holes arranged in two layers
  • FIG. 3 a shows a fifth embodiment of the adaptation layer according to the invention with boreholes whose centers run on a curved line, viewed in cross section
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an ultrasonic sensor with an integrated adaptation layer according to the invention
  • FIG. 5 shows a sixth embodiment of the adaptation layer according to the invention with balls
  • Fig. 5b shows a section through that shown in Figure 5 matching layer, FIG. 6.
  • FIG. 6b shows a section through the adaptation layer shown in FIG. 6
  • FIG. 7 shows a seventh embodiment of the adaptation layer according to the invention with a liquid-filled chamber
  • FIG. 7a shows the detail marked A in FIG
  • FIG. 7b shows a cross section through the adaptation layer shown in FIG. Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention, which between the Ultrasonic sensor 1 and the outer wall 4 of the pipe 2 is held by pressing.
  • the adaptation layer 5 is a coupling mat 5, which is designed as a filter such that the portions of the ultrasonic measurement signals, which are oriented in the input or emission direction of the ultrasonic measurement signals, pass the coupling mat approximately undisturbed while the components the ultrasonic measurement signals, which are oriented transversely to the input or Ausstrahlraum be largely attenuated by the coupling mat 5. Longitudinal portions of the ultrasonic measurement signals pass through the adaptation layer approximately undisturbed, while transversal portions of the ultrasonic measurement signals are approximately completely attenuated.
  • Adaptation layer 5 consists of a damping and elastic material 8 in which a plurality of fibers 6 are embedded with a defined orientation.
  • the fibers 6 are arranged substantially parallel to one another and parallel to the desired propagation direction of the ultrasonic measurement signals.
  • the fibers 6 are so-called hard fibers, for example glass fibers.
  • the sound-damping material 8 is preferably made of an elastomer, in particular of a closed-cell elastomeric foam.
  • the hard fibers 6 and the glass fibers can also be oriented at an angle beta to the outer surface 3, so that an optimal adaptation to the application or the input or Ausstrahlwinkel the ultrasonic sensor 1 is achieved. This embodiment can be seen in FIG. 1a.
  • the coupling medium 9 is silicone gel.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention.
  • the fibers 6 are replaced by liquid-filled channels 7 in a membrane. These Channels are filled with an acoustically conductive coupling agent such as silicone gel.
  • an acoustically conductive coupling agent such as silicone gel.
  • the effect is the same in both cases: Via the channels 7 an optimal transmission of the ultrasonic measuring signals or the desired modes of the ultrasonic measuring signals or ultrasonic waves is ensured. Unwanted components and modes of the ultrasound measurement signals are filtered out, so that largely only the portions of the measurement signals used for measurement purposes, ie the signal components which are radiated into the pipeline in the direction of the angle of incidence, can pass through the matching layer or the coupling mat 5.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the invention
  • Adaptation layer 5 with holes 10 in perspective view Fig. 3a shows the embodiment shown in Fig. 3 in side view.
  • Fig. 3b the marked in Fig. 3a section B can be seen in an enlarged view.
  • the sound-conducting regions that is to say the webs between the bores 10, are produced here by transverse drilling, casting, forging or other primary shaping processes. It is advantageous that the holes 10 do not have to be filled.
  • care should be taken that the thickness L of the webs is smaller than the wavelength of the ultrasonic waves or ultrasonic measurement signals.
  • the filter effect can be optimally adjusted to the wavelength via the dimensioning L of the webs and the diameter D of the bores 10. The broader the webs are, the more signal components pass through the adaptation layer 5, but the smaller is the desired filter effect. Here it is important to find the optimal wavelength-dependent dimensioning.
  • the embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention shown in Fig. 3c is considered, are provided in the two superimposed layers with holes 10, wherein the layers parallel to the upper and lower walls 11, 12 of the matching layer 5 aligned and are crossed relative to each other.
  • the advantage here is that every solid material is used can.
  • the holes 10 may be located directly in the sound path of the ultrasonic sensor.
  • the holes 10 - in one or more layers arrangement - seen in cross-section not linear, but along a curved line.
  • This fifth embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention with bores 10, the centers of which - as seen in cross-section - run on a curved line, is shown in Fig. 3d. This makes it possible to optimize the filtering effect of the adaptation layer 5.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an ultrasonic sensor 21 with integrated adaptation layer according to the invention 5.
  • the adaptation layer 5 - here with holes 10, which are arranged in two layers one above the other and crossed to each other - is between the piezoelectric element 19 and the flow body or arranged the coupling element 20. Due to the crossed arrangement of the holes 10 in the two layers, the transverse wave component of the ultrasonic measurement signal is approximately completely filtered out so that only the desired longitudinal wave components pass through the adaptation layer 5.
  • the ceramic used for piezoelectric elements 19 has an acoustic impedance of about 30 MRayl. If the flow body 20 is made of plastic, then this has an acoustic impedance of about 3 MRayl.
  • FIG. 5 shows a sixth embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention with balls 13;
  • FIG. 5 a shows an enlarged view of the detail A marked in FIG. 5, while
  • FIG. 5 b shows a section through the adaptation layer 5 shown in FIG. 5.
  • the spheres 13 arranged at four or six points in a plane in any desired spherical packing density - preferably balls 13 have a similar effect to the fibers 6. However, no matrix 8 is required here since the regular spacing the balls 13 automatically adjusts in a densely packed area.
  • the coupling between the upper and the lower wall 11, 12 and the balls 13 is achieved via a bond, an elastomeric film or a compression. As a result, deform the upper and lower walls 11, 12 and the balls 13.
  • the balls 13 may consist of either a hard or a soft material. They are made for example of glass, ceramic, metal or silicone or plastic. In the following Table 1, the different configurations and combinations of walls 11, 12 and balls 13 are described. Also listed are the possible manufacturing processes that can serve to manufacture the corresponding coupling mats 5.
  • FIG. 6 shows the matching layer 5 according to the invention with balls 13 at a differing from 90 ° on and beam angle alpha of the ultrasonic measuring signals.
  • Figures 6, 6a and 6b otherwise correspond to Figures 5, 5a and 5b.
  • Only the contact surface 17 between the balls 13 and the lower and upper wall 11, 12 are in contrast to the embodiment shown in Fig. 5 by the angle alpha set against the normal. So here there is no vertical transmission of the sound wave.
  • FIG. 7 is a preferred seventh embodiment of the adaptation layer 5 according to the invention with a liquid-filled chamber 14 can be seen.
  • FIG. 7 a shows an enlarged view of the detail marked A in FIG. 7, and
  • FIG. 7 b shows a cross section through the adaptation layer 5 shown in FIG. 7.
  • the radial or transverse portions of the ultrasound measuring signals are filtered out by the liquid-filled chamber 14 arranged in the sound beam, while the longitudinal portions pass through the matching layer 5 almost unhindered.
  • the liquid filling may be of any nature: it may be, for example, a silicone oil, liquid glass or - in high-temperature applications - a liquid metal.
  • the liquid is arranged, for example, between two welded metal membranes.
  • the thickness H of the liquid-filled chamber 14 can be arbitrarily dimensioned.
  • webs 14 are provided as spacers to maintain a desired height of the chamber.
  • the height H of the chamber 14 and the thickness G, I of the lower and upper walls 11, 12 each correspond to an odd number of multiples of a quarter wavelength of the ultrasonic waves in the material. As a result, the attenuation of the passing longitudinal portions of the ultrasonic measurement signals in the matching layer 5 is low.
  • the matching layer 5 does not have to be configured in a planar manner. Rather, it can have any desired configuration, for example a curved shape.
  • the shape of the adaptation layer 5 is thus optimally adaptable to the shape of the respective support surface 3.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anpassungsschicht (5) zur Anbringung im Schallstrahl, z.B. zwischen einem Ultraschallsensor (1) und einer Außenwand (3) eines Behältnisses (2), wobei die Anpassungsschicht (5) so ausgestaltet ist, dass von dem Ultraschallsensor (1) in das Behältnis (2) unter einem Einfallswinkel ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor (1) aus dem Behältnis (2) unter einem Ausfallwinkel empfangene Messsignale die Wandung (3) des Behälters (2) weitgehend verlustfrei passieren. Damit nur die in Einstrahlrichtung orientierten Anteile der Ultraschall-Messsignale in das Behältnis eingekoppelt werden, handelt es sich bei der Anpassungsschicht um ein Filter, das so ausgestaltet ist, dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- und/oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte (5) weitgehend gedämpft werden.

Description

Beschreibung
ANPASSUNGSSCHICHT ZUR ANBRINGUNG IM SCHALLSTRAHL EINES CLAMP-ON ULTRASCHALLSENSORS
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anpassungsschicht zur Anbringung im Schallstrahl eines Ultraschallsensors eines Clamp-On Durchflussmessgeräts. Die Anpassungsschicht kann zwischen einem Ultraschallsensor und der Wandung eines Behältnisses, sie kann aber auch an einer beliebigen Stelle im Schallpfad innerhalb des Ultraschallsensors eingebracht sein. Die Anpassungsschicht ist so ausgestaltet, dass von dem Ultraschallsensor in das Behältnis ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor aus dem Behältnis empfangene Messsignale die Anpassungsschicht weitgehend verlustfrei passieren.
[0002] Clamp-on Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der
Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen- und/oder Massestrom eines Mediums in einem Behältnis, insbesondere in einer Rohrleitung, berührungslos und somit nicht-invasiv zu bestimmen, da sie von außen an die Rohrleitung angebracht werden. Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben. Üblicherweise werden die Ultraschallsensoren einzeln mit Bändern auf die Rohrleitung, in der der Durchfluss bestimmt werden soll, aufgeschnallt. Möglich ist es jedoch auch, zumindest ein Paar von verschiebbaren Ultraschallsensoren in einer sog. Flowbox anzuordnen und die Flowbox an der Rohrleitung zu befestigen. Eine entsprechende Flowbox ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 019 689.1 , eingereicht am 24.04.2007, im Detail beschrieben. Der die Flowbox beschreibende Offenbarungsgehalt ist explizit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung zuzurechnen.
[0003] Die von der Anmelderin angebotenen und vertriebenen Ultraschall-Durchfluss-messgeräte arbeiten nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschall-Messsignalen, die das Medium in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung durchlaufen, ausgewertet. Zwei in Richtung der Längsachse der Rohrleitung angeordnete Ultraschallsensoren senden und empfangen die Ultraschall-Messsignale alternierend. Anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und somit bei bekanntem Durchmesser des Rohres der Volumendurchfluss bzw. bei bekannter Dichte des Mediums der Massendurchfluss bestimmen.
[0004] Bei Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die nach dem
Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeiten, werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung, in der sich das Medium befindet, ein- bzw. ausgestrahlt. Damit ein möglichst großer Anteil der von einem Ultraschallwandler in das Behältnis eingestrahlten Energie im jeweils anderen Ultraschallsensor empfangen wird, müssen die beiden Ultraschallsensoren quasi nahtlos an der Rohrleitung platziert sein - an Grenzflächen treten ansonsten Reflexionen auf - und einen definierten Abstand voneinander haben. Die jeweilige Position der Ultraschallsensoren an der Rohrleitung ist abhängig von dem Innendurchmesser der Rohrleitung und von der Schallgeschwindigkeit des Mediums. Als weitere Applikationsparameter, denen mitunter eine relativ große Bedeutung zuzumessen ist, sind die Wandstärke der Rohrleitung und die Schallgeschwindigkeit des Materials der Rohrleitung zu nennen.
[0005] Wie bereits angedeutet, ist unbedingt dafür Sorge zu tragen, dass die Ultraschallsensoren möglichst ohne Luftspalt unmittelbar an der Oberfläche der Rohrleitung montiert sind. Ein Luftspalt würde zu einer abgeschwächten Einkopplung der Ultraschall-Messsignale in die Rohrleitung führen. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass bereits die fertigungsbedingte Oberflächenrauhigkeit der Kontaktflächen von Ultraschallsensor und Rohrleitung so ausgeprägt ist, dass sich die beiden Komponenten nur an gewissen Auflagepunkten berühren, während sich in anderen Bereichen der Kontaktfläche der für die Messperformance unerwünschte Luftspalt bzw. Lufteinschluss befindet.
[0006] Um diesen Missstand zu beseitigen, ist es Stand der Technik, eine flüssige oder gelartige Koppelschicht zwischen dem Ultraschallsensor und der Außenfläche der Rohrleitung anzubringen. Weiterhin ist es Stand der Technik, über ein Elastomer eine gute Übertragung der Ultraschall-Messsignale sicherzustellen. Eine Kopplungsschicht aus einem Elastomer oder einem Metall ist beispielsweise in der DE 10 2004 52 489 A1 beschrieben. Um in diesem Fall einer Kopplungsschicht aus einem Elastomer eine gute Einkopplung zu erzielen, ist eine Anpresskraft erforderlich, die deutlich über der Anpresskraft liegt, die im Falle einer Koppelschicht aus einem flüssigen oder gelartigen Stoff erforderlich ist.
[0007] Es versteht sich von selbst, dass bei Clamp-On
Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die auf dem Doppler-Prinzip basieren, eine Koppelschicht zwischen dem Clamp-On Ultraschallsensor und der Außenfläche der Rohrleitung angeordnet sein muss, da auch hier das zuvor beschriebene Problem auftritt. Bei Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die auf dem Doppler-Prinzip basieren, werden die Ultraschall-Messsignale an Verunreinigungen oder Blasen in dem Medium reflektiert. Somit sind diese Messgeräte nur bei speziellen Anwendungen einsetzbar. Anhand der Dopplerverschiebung der Ultraschall-Messsignale lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, und bei bekanntem Innendurchmesser der Rohrleitung der Volumendurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bestimmen.
[0008] Es hat sich gezeigt, dass durch die bekannten Koppelmedien, insbesondere aber durch die Koppelschicht aus einem Elastomer, neben der erwünschten Übertragung der longitudinalen Anteile der Ultraschall-Messsignale auch die transversalen Anteile oder generell unerwünschte Schwingungsmodi übertragen werden. Diese sich in der Wandung der Rohrleitung ausbreitenden Messsignale wirken sich u.U. ungünstig auf die Messperformance des Durchflussmessgeräts aus.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koppelmedium bzw. eine Anpassungsschicht zwischen Ultraschallsensor bzw. Flowbox und Außenfläche der Rohrleitung vorzuschlagen, die weitgehend nur die erwünschten Anteile der Ultraschall-Messsignale passieren lässt, während die unerwünschten Anteile der Ultraschall-Messsignale weitgehend gedämpft werden.
[0010] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass es sich bei der Anpassungsschicht um eine Koppelmatte handelt, die als Filter ausgestaltet ist, so dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte weitgehend gedämpft werden.
[0011] Alternativ lässt sich sagen, dass sich mit einer Koppelmatte mit eingebetteten harten Fasern - oder aber auch mit flüssigkeitsbefüllten Kanälen bzw. einer flüssigkeitsbefüllten Kammer, mit Kugeln oder Bohrungen - ein Filter realisieren lässt, das im Wesentlichen nur eine definierte Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale gestattet. Voraussetzung ist hierbei, dass insbesondere harte Fasern oder auch Kanäle, ein definiertes geeignetes Verhältnis von Durchmesser und Länge zu Breite aufweisen. Bei Fasern ist das Verhältnis vorzugsweise grösser als 1 :3. Sind die Kanäle mit einer Flüssigkeit befüllt, ist das Verhältnis weniger kritisch, da hier die Transversalwellen per se stark gedämpft werden, so dass hauptsächlich Longitudinalwellen übertragen werden.
[0012] Die harten Fasern, welche - wie gesagt - ein definiertes Verhältnis zwischen Durchmesser und Länge aufweisen sollen, oder die Kanäle sind in einer definierten Orientierung in einer Matrix aus einem dämpfenden und elastischen Material eingebettet sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung erfolgt die Ausbreitung der Ultraschallwellen nahezu ausschließlich in Längsrichtung der Fasern bzw. der Kanäle.
[0013] Die Herstellung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht kann beispielsweise mittels eines losen Glasfaserbündels - oder allgemein eines losen Faserbündels - erfolgen, das in einer Silikonmasse getränkt und anschließend ausgehärtet wird. Der geschaffene Stab aus Glasfasern bzw. Fasern, die in eine dämpfende und elastische Matrix eingebettet sind, wird anschließend vorzugsweise unter einem definierten Winkel in dünne Schichten bzw. Matten geschnitten. Die Matrix besteht bevorzugt aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum. Möglich ist es jedoch auch, eine Matrix aus einem festen Körper, wie beispielsweise Metallschaum oder Keramikschaum zu verwenden.
[0014] Somit schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht vor, dass die Koppelmatte aus einem dämpfenden und elastischen Material besteht, in das in einer definierten Orientierung Fasern oder Kanäle eingebettet sind. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um sogenannte harte Fasern, beispielsweise um Glasfasern.
[0015] Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Anpassungsschicht sieht vor, dass die Matrix aus einem Elastomer, insbesondere aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum, besteht.
[0016] Eine zu den harten Fasern alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht schlägt vor, dass in eine Matrix aus einem schall-dämpfenden, elastischen Material, die flüssigkeitsgefüllten Kanäle mit einer definierten Orientierung eingelagert sind. Hierzu ist eine Membran aus einem schalldämpfenden Material vorgesehen, die derart mit Kanälen versehen ist, dass über die Orientierung der Kanäle eine optimale Übertragung der Ultraschall-Messsignale bzw. der gewünschten Moden der Ultraschall-Messsignale bzw. Ultraschallwellen sicherstellt ist. Auch hier werden unerwünschte Anteile und Moden der Ultraschall-Messsignale ausgefiltert, so dass weitgehend nur die zu Meßzwecken verwendeten Anteile der Messsignale, sprich die Signalanteile, die in Einstrahlrichtung in die Rohrleitung eingestrahlt werden sollen, die Anpassungsschicht passieren.
[0017] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anpassungsschicht sieht vor, dass die flüssigkeitsgefüllten Kanäle bevorzugt einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt des die Ultraschall-Messsignale bildenden Schallstrahls entspricht. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Koppelmatte in Ihrer Dicke - unter Berücksichtigung des Winkels des Schallstrahles zur durchdrungenen Oberfläche des Behältnisses - auf die Wellenlänge des Ultraschall-Messsignals abgestimmt ist. Bevorzugt entspricht die Dicke einer Viertel Wellenlänge bzw. einem ungerade ganz zahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge der Ultraschall-Messsignale bzw. der Ultraschallwellen.
[0018] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in der Koppelmatte Kugeln vorgesehen sind, die in einer definierten Orientierung in dem schalldämpfenden und elastisches Material eingebettet sind. Alternativ wird vorgeschlagen, dass in der Koppelmatte Bohrungen vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen Orientierung in dem schalldämpfenden und elastischen Material eingebettet sind.
[0019] Um störende Lufteinschlüsse oder Luftspalte zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass zwischen der Matrix mit den eingebetteten Fasern bzw. den flüssigkeitsgefüllten Kanälen und dem Ultraschallsensor bzw. der Außenfläche des Behältnisses jeweils ein Koppelmedium aufgetragen ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Koppelmedium um ein Silikon-Gel oder um spezielles Koppelfett, wie es in der Ultraschall-Durchflussmessung bekannt ist.
[0020] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anpassungsschicht sieht vor, dass die akustische Impedanz Zκ der Koppelmatte bzw. Anpassungsschicht - bestimmt bei der Frequenz des Ultraschall-Messsignals - in einem Bereich liegt, der zwischen der Impedanz des Ultraschallsensors Zs und der Impedanz ZR der Wandung des Behältnisses liegt.
[0021] Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die akustische Impedanz der Anpassungsschicht bevorzugt der Quadratwurzel aus dem Produkt der beiden Impedanzen ZR, Zs von der Wandung des Behältnisses und dem Ultraschallsensor entspricht.
[0022] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Fasern, Fig. 1a: eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Anpassungsschicht, wobei die Fasern unter einem Winkel beta ausgerichtet sind, Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit flüssigkeitsbefüllten Kanälen bzw. Bereichen,
Fig. 3: eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Bohrungen in perspektivischer Ansicht, Fig. 3a: die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht, Fig. 3b: den in Fig. 3a gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3c: eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit gekreuzten, in zwei Lagen angeordneten Bohrungen,
Fig. 3d: eine fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Bohrungen, deren Mittelpunkte - im Querschnitt gesehen - auf einer gekrümmten Linie verlaufen, Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors mit integrierter erfindungsgemäßer Anpassungsschicht, Fig. 5: eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Kugeln,
Fig. 5a: den in Fig.5 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung,
Fig. 5b: einen Schnitt durch die in Fig. 5 gezeigte Anpassungsschicht, Fig. 6: die erfindungsgemäße Anpassungsschicht mit Kugeln mit einem von 90° abweichenden Ein- und Ausstrahlwinkel alpha der Ultraschall-Messsignale,
Fig. 6a: den in Fig.6 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung,
Fig. 6b: einen Schnitt durch die in Fig. 6 gezeigte Anpassungsschicht Fig. 7: eine siebente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit einer flüssigkeitsbefüllten Kammer, Fig. 7a: den in Fig. 7 mit A gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung und
Fig. 7b: einen Querschnitt durch die in Fig. 7 dargestellte Anpassungsschicht. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5, die zwischen dem Ultraschall-sensor 1 und der Außenwand 4 der Rohrleitung 2 durch Pressung gehalten wird. Bei der Anpassungsschicht 5 handelt es sich um eine Koppelmatte 5, die derart als Filter ausgestaltet ist, dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte 5 weitgehend gedämpft werden. Longitudinale Anteile der Ultraschall-Messsignale passieren die Anpassungsschicht näherungsweise ungestört, während transversale Anteile der Ultraschall-Messsignale näherungsweise vollständig gedämpft werden.
[0024] Die als Koppelmatte 5 bzw. Koppeladapter 5 ausgestaltete
Anpassungs-schicht 5 besteht aus einem dämpfenden und elastischen Material 8, in das mit einer definierten Orientierung eine Vielzahl von Fasern 6 eingebettet sind. Die Fasern 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur gewünschten Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern 6 um sogenannte harte Fasern, beispielsweise um Glasfasern. Das schalldämpfende Material 8 besteht bevorzugt aus einem Elastomer, insbesondere aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum.
[0025] Die harten Fasern 6 bzw. die Glasfasern können auch unter einem Winkel beta zur Außenfläche 3 orientiert, so dass eine optimale Anpassung an die Anwendung bzw. den Ein- oder Ausstrahlwinkel des Ultraschallsensors 1 erreicht wird. Diese Ausgestaltung ist in Fig. 1a zu sehen.
[0026] Um störende Lufteinschlüsse oder Luftspalte zu vermeiden, ist zwischen der Koppelmatte 5 und der entsprechenden Außenwand 4 des Messrohres 2 bzw. zwischen der Koppelmatte 5 und dem Ultraschallsensor 1 jeweils ein Koppelmedium 9 aufgetragen ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Koppelmedium 9 um Silikon-Gel.
[0027] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5. Der Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass hier die Fasern 6 durch flüssigkeitsgefüllte Kanäle 7 in einer Membran ersetzt sind. Diese Kanäle sind mit einem akustisch leitenden Koppelmittel z.B. Silikon Gel gefüllt. Der Effekt ist in beiden Fällen derselbe: Über die Kanäle 7 ist eine optimale Übertragung der Ultraschall-Messsignale bzw. der gewünschten Moden der Ultraschall-Messsignale bzw. Ultraschallwellen sicherstellt. Unerwünschte Anteile und Moden der Ultraschall-Messsignale werden ausgefiltert, so dass weitgehend nur die zu Meßzwecken verwendeten Anteile der Messsignale, sprich die Signalanteile die in Richtung des Einfallwinkels in die Rohrleitung eingestrahlt werden, die Anpassungsschicht bzw. die Koppelmatte 5 passieren können.
[0028] Fig. 3 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anpassungs-schicht 5 mit Bohrungen 10 in perspektivischer Ansicht. Fig. 3a zeigt die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht. In Fig. 3b ist der in Fig. 3a gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung zu sehen. Die schallleitenden Bereiche, sprich die Stege zwischen den Bohrungen 10, werden hier durch Querbohren, Gießen, Schmieden oder andere urformende Verfahren hergestellt. Vorteilhaft ist, dass die Bohrungen 10 nicht verfüllt werden müssen. Bevorzugt haben die Stege zwischen den einzelnen Bohrungen 10 eine Dicke L, die kleiner ist als der Durchmessers D der Bohrungen 10. Insbesondere sollte darauf geachtet werden, dass die Dicke L der Stege kleiner ist als die Wellenlänge der Ultraschallwellen bzw. Ultraschall-Messsignale. Generell lassen sich über die Dimensionierung L der Stege und den Durchmesser D der Bohrungen 10 die Filterwirkung optimal auf die Wellenlänge einstellen. Je breiter die Stege sind, um so mehr Signalanteile passieren die Anpassungsschicht 5, um so kleiner ist jedoch auch der gewünschte Filtereffekt. Hier gilt es die optimale, von der Wellenlänge abhängige Dimensionierung zu finden.
[0029] Als besonders vorteilhaft wird die in Fig. 3c dargestellte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 angesehen, bei der zwei übereinander angeordnete Lagen mit Bohrungen 10 vorgesehen sind, wobei die Lagen parallel zur der oberen und unteren Wand 11 , 12 der Anpassungsschicht 5 ausgerichtet und relativ zueinander gekreuzt sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass jedes feste Material zum Einsatz kommen kann. Weiterhin können die Bohrungen 10 direkt im Schallpfad des Ultraschallsensors liegen.
[0030] Für gewisse Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Bohrungen 10 - in ein- oder mehrlagiger Anordnung - im Querschnitt gesehen nicht linear verlaufen, sondern längs einer gekrümmten Linie. Diese fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit Bohrungen 10, deren Mittelpunkte - im Querschnitt gesehen - auf einer gekrümmten Linie verlaufen, ist in Fig. 3d dargestellt. Hierdurch lässt sich die Filterwirkung der Anpassungsschicht 5 optimieren.
[0031] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 21 mit integrierter erfindungsgemäßer Anpassungsschicht 5. Die Anpassungsschicht 5 - hier mit Bohrungen 10, die in zwei Lagen übereinander angeordnet und zueinander gekreuzt sind - ist zwischen dem piezoelektrischen Element 19 und dem Vorlaufkörper bzw. dem Koppelelement 20 angeordnet. Durch die gekreuzte Anordnung der Bohrungen 10 in den beiden Lagen wird der Transversalwellen-Anteil des Ultraschall-Messsignals näherungsweise komplett herausgefiltert, so dass nur die erwünschten Longitudinalwellen-Anteile die Anpassungsschicht 5 passieren. Die für piezoelektrische Elemente 19 verwendete Keramik hat eine akustische Impedanz von ca. 30 MRayl. Ist der Vorlaufkörper 20 aus Kunststoff gefertigt, so weist dieser eine akustische Impedanz von ca. 3 MRayl auf. Die Anpassungsschicht 5, die z.B. aus Metall gefertigt ist, weist eine akustische Impedanz auf, die zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 19 und des Vorlaufkörpers 20 liegt. Hierdurch werden die unerwünschten Reflexionen minimiert.
[0032] Fig. 5 zeigt eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungs-schicht 5 mit Kugeln 13; Fig. 5a zeigt den in Fig.5 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung, während in Fig. 5b ein Schnitt durch die in Fig. 5 gezeigte Anpassungsschicht 5 dargestellt ist. Die in einer Ebene in beliebiger Kugelpackungsdichte - bevorzugt berühren sich die Kugeln 13 an vier oder sechs Punkten - angeordneten Kugeln 13 haben eine ähnliche Wirkung wie die Fasern 6. Allerdings wird hier keine Matrix 8 benötigt, da der regelmäßige Abstand der Kugeln 13 sich bei einer dicht gepackten Fläche automatisch einstellt. [0033] Die Kopplung zwischen der oberen und der unteren Wand 11 , 12 und den Kugeln 13 wird über eine Klebung, einen Elastomer-Film oder ein Verpressen erreicht. Hierdurch verformen sich die obere und untere Wand 11 , 12 und die Kugeln 13. Die Kugeln 13 können entweder aus einem harten oder einem weichen Material bestehen. Sie sind beispielsweise aus Glas, Keramik, Metall oder aus Silikon oder Kunststoff gefertigt. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die unterschiedlichen Ausgestaltungen und Kombinationen von Wänden 11 , 12 und Kugeln 13 beschrieben. Gleichfalls aufgelistet sind die möglichen Herstellungsverfahren, die zur Fertigung der entsprechenden Koppelmatten 5 dienen können.
Tabelle 1
Figure imgf000013_0001
[0034] Die in Fig. 5a gezeigte Koppelschicht 17 zwischen den Kugeln 13 und der oberen und unteren Wand 11 , 12 ist nur notwendig, wenn sowohl die Kugeln 13 als auch die obere und untere Wand 11 , 12 aus einem harten Material gefertigt sind. Ansonsten kann sie entfallen. [0035] Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Anpassungsschicht 5 mit Kugeln 13 bei einem von 90° abweichenden Ein- und Ausstrahlwinkel alpha der Ultraschall-Messsignale. Die Figuren Fig. 6, Fig. 6a und Fig. 6b entsprechen ansonsten den Figuren Fig. 5, Fig. 5a und Fig. 5b. Lediglich die Kontaktfläche 17 zwischen den Kugeln 13 und der unteren und oberen Wand 11 , 12 sind im Unterschied zu der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform um den Winkel alpha gegen die Normal schräg gestellt. Es erfolgt hier also keine senkrechte Übertragung der Schallwelle.
[0036] In Fig. 7 ist eine bevorzugte siebente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit einer flüssigkeitsbefüllten Kammer 14 zu sehen. Fig. 7a zeigt den in Fig. 7 mit A gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung, und in Fig. 7b ist ein Querschnitt durch die in Fig. 7 dargestellte Anpassungsschicht 5 dargestellt.
[0037] Wie auch in den zuvor genannten Ausgestaltungen werden durch die im Schallstrahl angeordnete flüssigkeitsbefüllte Kammer 14 die radialen bzw. transversalen Anteile der Ultraschall-Messsignale herausgefiltert, während die longitudinalen Anteile annähernd ungehindert die Anpassungsschicht 5 passieren. Die flüssige Füllung kann beliebiger Natur sein: es kann sich beispielsweise um ein Silikonöl, um flüssiges Glas oder - bei Hochtemperatur-anwendungen - um ein flüssiges Metall handeln. Die Flüssigkeit ist beispielsweise zwischen zwei verschweißten Metallmembranen angeordnet. Die Dicke H der flüssigkeitsbefüllten Kammer 14 kann beliebig dimensioniert werden. Gegebenenfalls sind zum Einhalten einer gewünschten Höhe der Kammer 14 Stege als Abstandshalter vorgesehen. Bevorzugt entspricht die Höhe H der Kammer 14 und die Dicke G, I der unteren und oberen Wand 11 , 12 je einem ungerad zahligen Vielfachen einer Viertel Wellenlänge der Ultraschallwellen im Material. Hierdurch ist die Dämpfung der passierenden longitudinalen Anteile der Ultraschall-Messsignale in der Anpassungsschicht 5 gering.
[0038] Durch die als Filter ausgestalteten unterschiedliche Ausführungsformen lassen sich bei Kontakt der Anpassungsschicht 5 mit dem Gehäuse des Ultraschallsensors 21 auch unerwünschte Transversalschwingungen, die über das Gehäuse auf die Anpassungsschicht 5 übertragen werden, herausfiltern. Der Ultraschallsensor 21 wird somit von Umgebungseinflüssen entkoppelt. Es versteht sich, dass die Anpassungsschicht 5 nicht planar ausgestaltet sein muss. Vielmehr kann sie eine beliebige Ausgestaltung, z.B. eine gekrümmte Form, aufweisen. Die Form der Anpassungsschicht 5 ist somit optimal an die Form der jeweiligen Auflagefläche 3 anpassbar.
Bezugszeichenliste
1 Ultraschallsensor (oder Piezoelement)
2 Behältnis / Rohrleitung (oder Sensorkörper)
3 Wandung Außenfläche Anpassungsschicht / Koppelmatte / Koppeladapter (harte) Faser flüssigkeitsgefüllter Kanal / mit Koppelmittel gefüllter Kanal schalldämpfendes Material / Matrix / Elastomerschaum Koppelmedium / Silikon-Gel Bohrung untere Wand obere Wand Kugel flüssigkeitsbefüllte Kammer seitliche Wand seitliche Wand Koppelschicht flüssigkeitsbefüllte Kammer piezoelektrisches Element Vorlaufkörper Ultraschallsensor

Claims

Ansprüche
1. 1. Anpassungsschicht (5) zur Anbringung im Schallstrahl eines Ultraschallsensors (1), wobei die Anpassungsschicht (5) so ausgestaltet ist, dass von dem Ultraschallsensor (1) in das Behältnis (2) unter einem Einfallswinkel ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor (1) aus dem Behältnis (2) unter einem Ausfallwinkel empfangene Messsignale die Anpassungsschicht passieren, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Anpassungsschicht (5) um eine Koppelmatte (5) handelt, die als Filter ausgestaltet ist, so dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte (5) näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- und/oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte (5) weitgehend gedämpft werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Koppelmatte (5) ein schallleitender Bereich (6, 7, 10, 13, 14) oder mehrere schallleitende Bereiche eingebettet ist/sind, der/die unter einem vorgegebenen Winkel (beta) zur Wandung (3) des Behältnisses (2) angeordnet ist/sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) im Schallpfad zwischen dem Ultraschallsensor (1) und der Wandung (3) des Behältnisses (2) anordenbar bzw. angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) ein integraler Bestandteil des Ultraschallsensors (1) ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den schallleitenden Bereichen in der Koppelmatte (5) um Fasern (6) handelt, die in einer definierten Orientierung bzw. unter einem definierten Winkel (beta) zur Oberfläche in ein schalldämpfendes und elastisches Material (8) eingebettet sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern (6) um Glasfasern handelt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schalldämpfende und elastische Material (8) die Form einer Matrix aufweist, in die die Fasern (6) bzw. die Glasfasern eingebettet sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Matrix (8) um einen geschlossen einzelligen Elastomer-schaum handelt.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Matrix (8) um einen festen Körper, wie Metallschaum oder Keramikschaum handelt.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Koppelmatte (5) bzw. in das schalldämpfende und elastische Material (8) flüssigkeitsgefüllte Kanäle / Bereiche (7) mit einer definierten Orientierung eingelagert sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsgefüllten Kanäle bevorzugt einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt des die Ultraschall-Messsignale bildenden Schallstrahls entspricht.
12. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) Kugeln (13) vorgesehen sind, die in einer definierten Anordnung in dem schalldämpfenden und elastischen Material (8) eingebettet sind.
13. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) Bohrungen (10) vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen Orientierung in dem schalldämpfenden und elastischen Material (8) angeordnet sind.
14. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) zumindest ein flüssigkeitsbefüllte Kammer (18) vorgesehen ist, die in das schalldämpfende und elastische Material (8) eingebettet ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Koppelmatte (5) und der Wandung (3) des Behältnisses (2) bzw. zwischen der Koppelmatte (5) und dem Ultraschallsensor (1) jeweils ein Koppelmedium (9) appliziert ist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Koppelmedium (9) um Silikon-Gel handelt oder um ein Koppelfett handelt. .
17. 17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) in Ihrer Dicke - unter Berücksichtigung des Winkels des Schallstrahles zur durchdrungenen Oberfläche des Behältnisses (2) - auf die Wellenlänge des Ultraschall-Messsignals abgestimmt ist, wobei die Dicke bevorzugt einer Viertel Wellenlänge bzw. einem ungerade ganz zahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge entspricht.
18. 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Impedanz (Zκ ) - bestimmt bei der Frequenz des Ultraschall-Messsignals - der Koppelmatte (5) in einem Bereich liegt, der zwischen der Impedanz des Ultraschallsensors (1) und der Impedanz der Wandung (3) des Behältnisses liegt.
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Impedanz der Koppelmatte (5) bevorzugt der Quadratwurzel aus dem Produkt der beiden Impedanzen (ZR, Zs) von der Wandung (3) des Behältnisses (2) und dem Ultraschallsensor (1) entspricht. 20.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallleitenden Bereiche (J, 8) der Koppelmatte in einem dem akustischen System (1) angepassten Winkel (alpha, beta) zur Außenfläche (4) bzw. zur Wandung (3) angeordnet sind.
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