WO2009003764A1 - Ultraschall-messvorrichtung - Google Patents

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WO2009003764A1
WO2009003764A1 PCT/EP2008/056391 EP2008056391W WO2009003764A1 WO 2009003764 A1 WO2009003764 A1 WO 2009003764A1 EP 2008056391 W EP2008056391 W EP 2008056391W WO 2009003764 A1 WO2009003764 A1 WO 2009003764A1
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WO
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ultrasonic
cross
main flow
transducer
flow direction
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Application number
PCT/EP2008/056391
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English (en)
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Inventor
Rudolf Bierl
Martin Lesser
Andreas Meyer
Frank Steuber
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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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
    • G01F1/667—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
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid.
  • the ultrasonic flowmeter for measuring a flow velocity of a fluid flowing with a main flow direction.
  • the ultrasonic flowmeter has at least two ultrasonic transducers, wherein the ultrasonic transducers can emit and / or receive ultrasonic waves at an angle other than 90 ° to the main flow direction.
  • the ultrasonic flowmeter has at least one wholly or partly arranged in the fluid guide element. This guide element deflects at least a portion of the flowing fluid in such a way that, when deflecting at least part of the flowing fluid, a velocity component is transmitted perpendicular to the main flow direction.
  • the object of the invention is to provide an ultrasonic measuring device which allows an accurate determination of the flow velocity of a fluid. The object is achieved by the features of the independent claim. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention is characterized by an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid in a main flow direction, with a measuring tube having a central axis in the main flow direction in which the fluid flows, at least two ultrasonic transducers, which are designed and arranged for emitting and / or for receiving ultrasonic waves at an angle deviating from 90 ° to the main flow direction, and a reflection element, which is designed for reflection of ultrasonic waves ⁇ , wherein the ultrasonic transducer and the reflection onselement arranged and designed so that of one of the ultrasonic transducers ultrasonic waves can be reflected to the reflection element and the reflectable on the reflection ⁇ onselement ultrasonic waves can be received at the other of the ultrasonic transducers, wherein the ultrasonic transducers are arranged such that they sen respect to their projection on a cross-section krecht to main ⁇ stromungsraum with each other include a related to the central axis of the measuring tube angle of large
  • the ultrasonic measuring device comprises a first ultrasonic path from the one ultrasound transducer to the reflective element aussendba ⁇ ren ultrasonic waves, and a second ultrasonic path for the reflectable by the reflection element to the further ultrasonic ⁇ transducer ultrasonic waves, wherein between the first ultrasonic path and a Stromungsleitelement is arranged the second ultrasonic path.
  • the Stromungsleitelement extends in the main flow direction at least from the one ultrasonic transducer to the other ultrasonic transducer. This has the advantage that in the areas in which the ultrasonic transducers are arranged, flows transverse to the main flow direction can be avoided.
  • the Stromungsleitelement upstream of the ultrasonic transducer has a first cross-sectional area perpendicular to Hauptstromungs ⁇ direction and downstream of an ultrasonic transducer, a second cross-sectional area perpendicular to Hauptstromungsrich ⁇ tion, and upstream of the further ultrasonic transducer another first cross-sectional area perpendicular to Hauptstro ⁇ tion direction and downstream of the further Ultraschallwand ⁇ lers corresponding thereto a further second cross-sectional flat perpendicular to the main flow direction, and the first cross-sectional areas of the Stromungsleitelements are smaller than the respectively corresponding thereto second cross-sectional flat of Stromungsleitelements.
  • the Stro- has mungsleitelement a cross section perpendicular to Hauptstromungsutter with a cross-sectional area and the cross- ⁇ -sectional area perpendicular to the Hauptstromungsutter takes noton mo- over the entire axial extent of the Stromungs ⁇ guide element between an ultrasonic transducer and the further Ultrasonic transducer or increases over the entire axial extent of Stromungsleitelements between ei ⁇ nen ultrasonic transducer and the further ultrasonic transducer with at least a portion in which the cross-sectional area is constant.
  • This has the advantage that a stabilization of the flow of the fluid in the entire area between the ultrasonic transducers and thus a high measurement accuracy is possible.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid
  • Figure 2 shows a cross section of the ultrasonic measuring device for
  • FIG. 3 shows a further longitudinal section through an ultrasonic measuring device for determining a flow velocity of a fluid along the line III-III 'of FIG. 1.
  • Elements of the same construction or function are cross-overlined with the same reference numerals.
  • the figures show an ultrasonic measuring device 10 with an ultrasonic transducer 12 and a further ultrasonic transducer 14.
  • the ultrasonic transducers 12, 14 are arranged on a measuring tube 26, which has a central axis M.
  • the measuring tube 26 is flowed through by a fluid 21, which can be either a liquid or a gas, in a main flow direction S at a flow velocity v.
  • the flow of the fluid 21 has substantially only turbulences in the microscopic range.
  • a reflection element 16 is further arranged, which is fastened by means of a holder 18 to the measuring tube 26.
  • the one ultrasonic transducer 12 emits ultrasonic waves that can be received by the further ultrasonic transducer 14.
  • the ultrasonic waves propagate while under a different from 90 ° angle ALPHA Hauptstromungscardi S via an ultrasonic path 20a and are reflected at the Refle ⁇ xionselement 16 such that they pass over a Ult ⁇ raschallpfad 20b to the further ultrasonic transducer 14, by which they be recorded.
  • the further ultrasonic transducer 14 emits Ult ⁇ raschallwellen which an ultrasonic transducer may be received by the 12th
  • the ultrasonic waves propagate at an angle ALPHA deviating from 90 ° to the main flow direction S via the ultrasound path 20b and are reflected at the reflection element 16 in such a way that they pass via the ultrasound path 20a to the one ultrasound transducer 12 from which they are received ,
  • the ultrasonic transducers 12, 14 are related to their projective on a cross section arranged perpendicular to the Hauptstromungscardi S that it together with a related ⁇ center axis M of the measuring tube 26 BETA angle of great 0 ° include, as in Figure 2 is particularly good to se ⁇ hen.
  • a flow guiding element 30 is arranged, which has a cross-section A perpendicular to the main flow direction S, which is variable along the main flow direction S.
  • Fluids 21 are shown.
  • a first flow path 22 in the main flow direction S of the fluid 21 is formed such that the ultrasonic waves from the one ultrasonic transducer 12 enter the fluid 21 therein.
  • a second Stromungsweg 24 in the main flow direction S of the fluid 21 is formed so that in this the ultrasonic waves from the further ultrasonic transducer 14 enter the fluid 21.
  • Stromungsleitelement 30 is arranged between the first flow path 22 and the second flow path 24.
  • the Stromungsleitelement 30 has a first portion 32 na ⁇ hey an ultrasonic transducer 12, which is of a cross section with a first cross-sectional area Al perpendicular to the main ⁇ stromungscardi S upstream of a Ultraschallwand ⁇ lers 12 to a second cross-sectional area A2 perpendicular to the main flow direction S downstream of an ultrasonic transducer 12 is sufficient.
  • the second cross-sectional area A2 corresponds to the first cross-sectional area Al.
  • the Stromungsleitelement 30 further has a second Ab ⁇ section 34, which extends from the second cross-sectional area A2 downstream of an ultrasonic transducer 12 to a wide ⁇ ren first cross-sectional area A3 perpendicular to the main flow direction S upstream of the further Ultraschallwand ⁇ lers 14.
  • a third section 36 of Stromungsleitelements 30 near the other ultrasonic transducer 14 extends from the other first cross-sectional area A3 upstream of the further Ult ⁇ raschallwandlers 14 to a second second cross-sectional area A4 perpendicular to the main flow direction S downstream of the further ultrasonic transducer 14.
  • the further second cross-sectional area A4 corresponds to the other first cross-sectional area A3.
  • the cross-section A of the Stromungsleitelements 30 perpendicular to the main flow direction S increases over the entire axial extent of Stromungsleitelements 30 between an ultrasonic transducer 12 and the other ultrasonic transducer 14, wherein the second portion 34 between the second cross-sectional area A2 and the other first cross-sectional area A3 with a constant Cross-section is formed perpendicular to Hauptstro ⁇ tion direction S.
  • the cross-section A of the Stromungsleitelements 30 perpendicular to the main flow direction S over the entire axial extent of the Stromungsleitelements 30 between the ei ⁇ nem ultrasonic transducer 12 and the further ultrasonic transducer 14 monotonically increases without a section with a constant cross-section perpendicular to the main flow direction S is.
  • the Stromungsleitelement 30 may thus have a simple shape and thereby exert the well-described below in Funkti ⁇ on the flow line.
  • the arrangement of the ultrasonic transducers 12, 14 relative to their projection on a cross section perpendicular to the flow direction Kleinstro ⁇ S with each other at the angle BETA is of great as zero degrees with respect to the center axis M of the measuring tube 26 means that a straight line 28, on which the ultrasonic transducers 12, 14 are arranged, is aligned in a direction U, which deviates from the main flow direction S.
  • the ultrasonic waves are reflected on the reflection member 16 and reach the further ultrasonic transducer 14 on the ultrasonic path 20b.
  • the ultrasonic waves are at the
  • Reflection element 16 reflects and reach the one ult ⁇ raschallwandler 12 on the ultrasonic path 20a.
  • the ultrasonic transducers 12, 14 and the re flexionselements 16 in which the ultrasonic transducers 12, 14 relative to a cross-section perpendicular to the main radiation ⁇ direction S together a related to the center axis M of the measurement ⁇ pipe angle BETA of great zero degrees including ⁇ S, it is achieved that a large cross-sectional area of the measuring tube is passed by ultrasonic waves. This allows ei ⁇ ne good averaging of the flow velocity v of the fluid 21 over large areas of the cross section of the measuring tube 26 he ⁇ be enough. This is particularly advantageous for unsym ⁇ metric Stromungsprofile, filter such as in an air or tubular manifold. With other measuring variables not shown here, such as the temperature and the pressure of the fluid 21 In the measuring tube 26, the mass flow of the fluid 21 in the measuring tube 26 can be determined.
  • the ultrasonic transducers 12, 14 with respect to the cross-section perpendicular to the main radiation ⁇ direction S together include the relative to the central axis M of the Mess ⁇ tube angle BETA of 50-90 °.

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Abstract

Ultraschall-Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit (v) eines Fluids (21) in einer Hauptströmungsrichtung (S), mit einem Messrohr (26) mit einer Mittelachse (M) in der Hauptströmungsrichtung (S), in dem das Fluid (21) strömt, mindestens zwei Ultraschallwandlern (12, 14), die ausgebildet und angeordnet sind zum Aussenden und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem von 90° abweichenden Winkel (ALPHA) zur Hauptströmungsrichtung (S), und einem Reflexionselement (16), das ausgebildet ist zur Reflektion von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallwandler (12, 14) und das Reflexionselement (16) so angeordnet und ausgebildet sind, dass von einem der Ultraschallwandler (12, 14) aussendbare Ultraschallwellen an dem Reflexionselement (16) reflektierbar sind und die an dem Reflexionselement (16) reflektierbaren Ultraschallwellen an dem anderen der Ultraschallwandler (12, 14) empfangbar sind. Die Ultraschallwandler (12, 14) sind derart angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (S) miteinander einen auf die Mittelachse (M) des Messrohrs (26) bezogenen Winkel (BETA) von grösser null Grad einschliessen.

Description

Beschreibung
Ultraschall-MessVorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids.
An Brennkraftmaschinen werden zunehmend hohe Anforderungen bezuglich deren Leistung und Wirkungsgrad gestellt. Gleich- zeitig müssen aufgrund strenger gesetzlicher Vorschriften auch die Emissionen gering gehalten werden. Derartige Anforderungen können gut erfüllt werden, wenn die Volumenstrome in einer Brennkraftmaschine genau bestimmt werden können. Zur Bestimmung der Volumenstrome in einer Frischluftleitung, ei- ner Abgasleitung und einer Abgasruckfuhrleitung von Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise Ultraschall- Messvorrichtungen zur Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids, hier also eines Gases, eingesetzt.
Die DE 10 2004 060 065 Al offenbart einen Ultraschall- Durchflussmesser zur Messung einer Stromungsgeschwindigkeit eines mit einer Hauptstromungsrichtung stromenden Fluids. Der Ultraschall-Durchflussmesser weist mindestens zwei Ultraschallwandler auf, wobei die Ultraschallwandler unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Hauptstromungsrichtung Ultraschallwellen emittieren und/oder empfangen können. Weiterhin weist der Ultraschall-Durchflussmesser mindestens ein ganz oder teilweise in dem Fluid angeordnetes Leitelement auf. Dieses Leitelement lenkt zumindest einen Teil des stro- menden Fluids derart um, dass beim Umlenken zumindest einem Teil des stromenden Fluids eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptstromungsrichtung übertragen wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschall- Messvorrichtung zu schaffen, die eine genaue Bestimmung der Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids ermöglicht. Die Aufgabe wird gelost durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ultraschall- Messvorrichtung zur Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Hauptstromungsrichtung, mit einem Messrohr mit einer Mittelachse in der Hauptstromungsrichtung, in dem das Fluid strömt, mindestens zwei Ultraschallwandlern, die ausgebildet und angeordnet sind zum Aussenden und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Hauptstromungsrichtung, und einem Reflexionselement, das ausgebildet ist zur Reflektion von Ultra¬ schallwellen, wobei die Ultraschallwandler und das Reflexi- onselement so angeordnet und ausgebildet sind, dass von einem der Ultraschallwandler aussendbare Ultraschallwellen an dem Reflexionselement reflektierbar sind und die an dem Reflexi¬ onselement reflektierbaren Ultraschallwellen an dem anderen der Ultraschallwandler empfangbar sind, wobei die Ultra- schallwandler derart angeordnet sind, dass sie bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Haupt¬ stromungsrichtung miteinander einen auf die Mittelachse des Messrohrs bezogenen Winkel von großer null Grad einschließen.
Dies hat den Vorteil, dass so vermieden werden kann, dass Störungen der Strömung durch Stromungsablosungen an dem stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler zur Beeinflussung der Messung an dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler fuhren. Damit kann eine hohe Messgenauigkeit der Ultraschall-Messvorrichtung zur Bestimmung der Stromungsgeschwindigkeit des Fluids erreicht werden. Außerdem können die Ultraschallwellen bezuglich der Hauptstromungsrichtung einen größeren Bereich des Stromungsquerschnitts durchlaufen, wodurch ein gutes Messergebnis aufgrund einer Mittelung der Stromungsgeschwindigkeit über den Stromungsquerschnitt er¬ reicht werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Fall unsymmetrischer Stromungsprofile wie sie an Filtern oder Rohrkrümmern bestehen.
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform hat die Ultraschall- Messvorrichtung einen ersten Ultraschallpfad für die von dem einen Ultraschallwandler zu dem Reflexionselement aussendba¬ ren Ultraschallwellen, und einen zweiten Ultraschallpfad für die von dem Reflexionselement an den weiteren Ultraschall¬ wandler reflektierbaren Ultraschallwellen, wobei zwischen dem ersten Ultraschallpfad und dem zweiten Ultraschallpfad ein Stromungsleitelement angeordnet ist. Damit kann vermieden werden, dass Störungen der Strömung durch Stromungsablosungen an dem stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler über Strömungen quer zur Hauptstromungsrichtung zur Beeinflussung der Messung an dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwand¬ ler fuhren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform erstreckt sich das Stromungsleitelement in der Hauptstromungsrichtung mindestens von dem einen Ultraschallwandler bis zu dem weiteren Ultraschallwandler. Dies hat den Vorteil, dass in den Bereichen, in denen die Ultraschallwandler angeordnet sind, Strömungen quer zur Hauptstromungsrichtung vermieden werden können .
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform hat das Stromungsleitelement stromaufwärts des einen Ultraschallwandlers eine erste Querschnittsflache senkrecht zur Hauptstromungs¬ richtung und stromabwärts des einen Ultraschallwandlers eine zweite Querschnittsflache senkrecht zur Hauptstromungsrich¬ tung, und stromaufwärts des weiteren Ultraschallwandlers eine weitere erste Querschnittsflache senkrecht zur Hauptstro¬ mungsrichtung und stromabwärts des weiteren Ultraschallwand¬ lers eine dazu korrespondierende weitere zweite Querschnitts- flache senkrecht zur Hauptstromungsrichtung, und die ersten Querschnittsflachen des Stromungsleitelements sind kleiner als die jeweils dazu korrespondierenden zweiten Querschnitts- flachen des Stromungsleitelements . Dies hat den Vorteil, dass eine Stabilisierung der Strömung des Fluids im Bereich der Ultraschallwandler und damit eine hohe Messgenauigkeit der Ultraschall-Messvorrichtung möglich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform hat das Stro- mungsleitelement einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstro- mungsrichtung mit einer Querschnittsflache, und die Quer¬ schnittsflache senkrecht zur Hauptstromungsrichtung nimmt mo- noton zu über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungs¬ leitelements zwischen dem einen Ultraschallwandler und dem weiteren Ultraschallwandler oder nimmt zu über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungsleitelements zwischen dem ei¬ nen Ultraschallwandler und dem weiteren Ultraschallwandler mit mindestens einem Abschnitt, in dem die Querschnittsflache konstant ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Stabilisierung der Strömung des Fluids im gesamten Bereich zwischen den Ultraschallwandlern und damit eine hohe Messgenauigkeit möglich ist.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Ultraschall- Messvorrichtung zur Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids,
Figur 2 einen Querschnitt der Ultraschall-Messvorrichtung zur
Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines FIu- ids entlang der Linie II-II' der Figur 1, und
Figur 3 einen weiteren Längsschnitt durch eine Ultraschall- Messvorrichtung zur Bestimmung einer Stromungsgeschwindigkeit eines Fluids entlang der Linie III-III' der Figur 1. Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren- ubergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figuren zeigen eine Ultraschall-Messvorrichtung 10 mit einem Ultraschallwandler 12 und einem weiteren Ultraschallwandler 14. Die Ultraschallwandler 12, 14 sind an einem Messrohr 26 angeordnet, das eine Mittelachse M hat. Das Messrohr 26 wird von einem Fluid 21, das entweder eine Flüssigkeit o- der ein Gas sein kann, in einer Hauptstromungsrichtung S mit einer Stromungsgeschwindigkeit v durchströmt. Die Strömung des Fluids 21 weist im Wesentlichen nur Turbulenzen im mikroskopischen Bereich auf. In dem Messrohr 26 ist weiter ein Reflexionselement 16 angeordnet, das mittels einer Halterung 18 an dem Messrohr 26 befestigt ist.
Der eine Ultraschallwandler 12 emittiert Ultraschallwellen, die von dem weiteren Ultraschallwandler 14 empfangen werden können. Die Ultraschallwellen breiten sich dabei unter einem von 90° abweichenden Winkel ALPHA zur Hauptstromungsrichtung S über einen Ultraschallpfad 20a aus und werden an dem Refle¬ xionselement 16 derart reflektiert, dass sie über einen Ult¬ raschallpfad 20b zu dem weiteren Ultraschallwandler 14 gelangen, von dem sie aufgenommen werden.
Entsprechend emittiert der weitere Ultraschallwandler 14 Ult¬ raschallwellen, die von dem einen Ultraschallwandler 12 empfangen werden können. Die Ultraschallwellen breiten sich dabei unter einem von 90° abweichenden Winkel ALPHA zur Hauptstromungsrichtung S über den Ultraschallpfad 20b aus und wer- den an dem Reflexionselement 16 derart reflektiert, dass sie über den Ultraschallpfad 20a zu dem einen Ultraschallwandler 12 gelangen, von dem sie aufgenommen werden.
Die Ultraschallwandler 12, 14 sind bezogen auf ihre Projekti- on auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S so angeordnet, dass sie miteinander einen auf die Mit¬ telachse M des Messrohrs 26 bezogenen Winkel BETA von großer 0° einschließen, wie dies besonders gut in der Figur 2 zu se¬ hen ist.
Zwischen dem ersten Ultraschallpfad 20a und dem zweiten UIt- raschallpfad 20b ist ein Stromungsleitelement 30 angeordnet, das einen Querschnitt A senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S hat, der entlang der Hauptstromungsrichtung S variabel ist.
Die Strömung des Fluids 21 soll im Folgenden anhand von zwei Stromungswegen 22, 24 in der Hauptstromungsrichtung S des
Fluids 21 dargestellt werden. Ein erster Stromungsweg 22 in der Hauptstromungsrichtung S des Fluids 21 ist so ausgebildet, dass in diesem die Ultraschallwellen aus dem einen Ultraschallwandler 12 in das Fluid 21 eintreten. Ein zweiter Stromungsweg 24 in der Hauptstromungsrichtung S des Fluids 21 ist so ausgebildet, dass in diesem die Ultraschallwellen aus dem weiteren Ultraschallwandler 14 in das Fluid 21 eintreten. Zwischen dem ersten Stromungsweg 22 und dem zweiten Stromungsweg 24 ist das Stromungsleitelement 30 angeordnet. Durch die Anordnung des Stromungsleitelements 30 zwischen dem ers¬ ten Stromungsweg 22 und dem zweiten Stromungsweg 24 kann ver¬ mieden werden, dass Störungen der Strömung durch Stromungsab- losungen an dem stromaufwärts angeordneten einen Ultraschallwandler 12 über eine Strömung quer zur Hauptstromungsrichtung S zur Beeinflussung der Messung an dem stromabwärts angeordneten weiteren Ultraschallwandler 14 fuhren.
Das Stromungsleitelement 30 hat einen ersten Abschnitt 32 na¬ he dem einen Ultraschallwandler 12, der von einem Querschnitt mit einer ersten Querschnittsflache Al senkrecht zur Haupt¬ stromungsrichtung S stromaufwärts des einen Ultraschallwand¬ lers 12 bis zu einer zweiten Querschnittsflache A2 senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S stromabwärts des einen Ultraschallwandlers 12 reicht. Die zweite Querschnittsflache A2 korrespondiert zu der ersten Querschnittsflache Al. Das Stromungsleitelement 30 hat weiter einen zweiten Ab¬ schnitt 34, der von der zweiten Querschnittsflache A2 stromabwärts des einen Ultraschallwandlers 12 bis zu einer weite¬ ren ersten Querschnittsflache A3 senkrecht zur Hauptstro- mungsrichtung S stromaufwärts des weiteren Ultraschallwand¬ lers 14 reicht.
Ein dritter Abschnitt 36 des Stromungsleitelements 30 nahe dem weiteren Ultraschallwandler 14 reicht von der weiteren ersten Querschnittsflache A3 stromaufwärts des weiteren Ult¬ raschallwandlers 14 bis zu einer weiteren zweiten Querschnittsflache A4 senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S stromabwärts des weiteren Ultraschallwandlers 14. Die weitere zweite Querschnittsflache A4 korrespondiert zu der weiteren ersten Querschnittsflache A3.
Der Querschnitt A des Stromungsleitelements 30 senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S nimmt über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungsleitelements 30 zwischen dem einem Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 zu, wobei der zweite Abschnitt 34 zwischen der zweiten Querschnittsflache A2 und der weiteren ersten Querschnittsflache A3 mit einem konstanten Querschnitt senkrecht zur Hauptstro¬ mungsrichtung S ausgebildet ist. In weiteren Ausfuhrungsfor- men nimmt der Querschnitt A des Stromungsleitelements 30 senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungsleitelements 30 zwischen dem ei¬ nem Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 monoton zu, ohne dass ein Abschnitt mit einem konstanten Querschnitt senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S ausgebil¬ det ist. Das Stromungsleitelement 30 kann so eine einfache Form haben und dabei die im weiter unten beschriebene Funkti¬ on der Stromungsleitung gut ausüben.
Die Anordnung der Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstro¬ mungsrichtung S miteinander unter dem Winkel BETA von großer als null Grad bezogen auf die Mittelachse M des Messrohrs 26 bedeutet, dass eine Gerade 28, auf der die Ultraschallwandler 12, 14 angeordnet sind, in eine Richtung U ausgerichtet ist, die von der Hauptstromungsrichtung S abweicht.
Im Folgenden soll die Funktionsweise der Ultraschall- Messvorrichtung 10 im Detail dargestellt werden:
Ultraschallwellen werden von dem einem Ultraschallwandler 12 ausgesandt und erreichen über den Ultraschallpfad 20a das Re¬ flexionselement 16 unter einem Winkel ALPHA zwischen der Hauptstromungsrichtung S und der Emissionsrichtung des Ultraschallwandlers 12. Die Ultraschallwellen werden an dem Reflexionselement 16 reflektiert und erreichen den weiteren Ultra- schallwandler 14 auf dem Ultraschallpfad 20b. Analog werden
Ultraschallwellen von dem weiteren Ultraschallwandler 14 ausgesandt und erreichen über den Ultraschallpfad 20b das Refle¬ xionselement 16 unter einem Winkel ALPHA zwischen der Haupt¬ stromungsrichtung S und der Emissionsrichtung des weiteren Ultraschallwandlers 14. Die Ultraschallwellen werden an dem
Reflexionselement 16 reflektiert und erreichen den einen Ult¬ raschallwandler 12 auf dem Ultraschallpfad 20a.
Durch die Anordnung der Ultraschallwandler 12, 14 und des Re- flexionselements 16, bei der die Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstrahlungs¬ richtung S miteinander einen auf die Mittelachse M des Mess¬ rohrs bezogenen Winkel BETA von großer null Grad einschlie¬ ßen, wird erreicht, dass eine große Querschnittsflache des Messrohrs von Ultraschallwellen passiert wird. Damit kann ei¬ ne gute Mittelung der Stromungsgeschwindigkeit v des Fluids 21 über große Bereiche des Querschnitts des Messrohrs 26 er¬ reicht werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für unsym¬ metrische Stromungsprofile, wie beispielsweise in einem Luft- filter oder Rohrkrummer. Mit weiteren hier nicht dargestellten Messgroßen wie der Temperatur und dem Druck des Fluids 21 in dem Messrohr 26 kann der Massenstrom des Fluids 21 in dem Messrohr 26 bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Ultraschallwandler 12, 14 bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur Hauptstrahlungs¬ richtung S miteinander den auf die Mittelachse M des Mess¬ rohrs bezogenen Winkel BETA von 50-90° einschließen.
Durch die Ausbildung des Stromungsleitelements 30 zwischen dem ersten Ultraschallpfad 20a und dem zweiten Ultraschall¬ pfad 20b mit der Zunahme des Querschnitts A des Stromungs¬ leitelements 30 senkrecht zur Hauptstromungsrichtung S über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungsleitelements 30 zwischen dem einen Ultraschallwandler 12 und dem weiteren Ultraschallwandler 14 wird erreicht, dass insbesondere im Be¬ reich der Ultraschallwandler 12, 14 das Fluid so beschleunigt wird, dass eine hohe Stabilität der Strömung in Hauptstro¬ mungsrichtung S erreicht werden kann. Damit können insbesondere in den Bereichen der Ultraschallwandler 12, 14 makrosko- pische Stromungsablosungen reduziert oder verhindert redu¬ ziert werden, wodurch eine sehr hohe Messgenauigkeit der Ult¬ raschall-Messvorrichtung 10 mit den Ultraschallwandlern 12, 14 erreicht werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer
Stromungsgeschwindigkeit (v) eines Fluids (21) in einer Hauptstromungsrichtung (S) , mit einem Messrohr (26) mit einer Mittelachse (M) in der Hauptstromungsrichtung (S), in dem das Fluid (21) strömt, mindestens zwei Ultraschallwandlern (12, 14), die ausgebildet und angeordnet sind zum Aussenden und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem von 90° abweichenden Winkel (ALPHA) zur Hauptstromungsrichtung (S) , und einem Reflexionselement (16), das ausgebildet ist zur Reflektion von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallwandler (12, 14) und das Reflexionselement (16) so angeordnet und ausgebildet sind, dass von einem der Ultraschallwandler (12, 14) aussendbare Ultraschallwellen an dem Reflexionselement (16) re- flektierbar sind und die an dem Reflexionselement
(16) reflektierbaren Ultraschallwellen an dem anderen der Ultraschallwandler (12, 14) empfangbar sind, wobei die Ultraschallwandler (12, 14) derart angeordnet sind, dass sie bezogen auf ihre Projektion auf einen Querschnitt senkrecht zur Hauptstromungsrichtung (S) miteinander einen auf die Mittelachse (M) des Messrohrs (26) bezogenen Winkel (BETA) von großer null Grad einschließen .
2. Ultraschall-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, mit einem ersten Ultraschallpfad (20a) für die von dem einen Ultraschallwandler (12) zu dem Reflexionselement (16) aussendbaren Ultraschallwellen, und einem zweiten Ultraschallpfad (20b) für die von dem Reflexionselement (16) an den weiteren Ultra¬ schallwandler (14) reflektierbaren Ultraschallwellen, wobei zwischen dem ersten Ultraschallpfad (20a) und dem zweiten Ultraschallpfad (20b) ein Stromungsleitelement (30) angeordnet ist.
3. Ultraschall-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei sich das Stromungsleitelement (30) in der Hauptstro- mungsrichtung (S) mindestens von dem einen Ultraschall¬ wandler (12) bis zu dem weiteren Ultraschallwandler (14) erstreckt.
4. Ultraschall-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das Stromungsleitelement (30) strom¬ aufwärts des einen Ultraschallwandlers (12) eine erste Querschnittsflache (Al) senkrecht zur Hauptstromungs- richtung (S) und stromabwärts des einen Ultraschall¬ wandlers (12) eine zweiten Querschnittsflache (A2) senkrecht zur Hauptstromungsrichtung (S) hat, und stromaufwärts des weiteren Ultraschallwandlers (14) ei¬ ne weitere erste Querschnittsflache (A3) senkrecht zur Hauptstromungsrichtung (S) und stromabwärts des weite¬ ren Ultraschallwandlers (14) eine dazu korrespondieren¬ de weitere zweite Querschnittsflache (A4) senkrecht zur Hauptstromungsrichtung (S) hat, und die ersten Querschnittsflachen (Al, A3) des Stromungsleitelements (30) kleiner sind als die jeweils dazu korrespondierenden zweiten Querschnittsflachen (A2, A4) des Stromungsleitelements (30) .
5. Ultraschall-Messvorrichtung (10) nach einem der Anspru- che Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das Stromungs¬ leitelement (30) einen Querschnitt senkrecht zur Haupt¬ stromungsrichtung (S) mit einer Querschnittsflache (A) hat und die Querschnittsflache (A) monoton zunimmt über die gesamte axiale Erstreckung des Stromungsleitele- ments (30) zwischen dem einen Ultraschallwandler (12) und dem weiteren Ultraschallwandler (14) oder monoton zunimmt über die gesamte axiale Erstreckung des Stro- mungsleitelements (30) zwischen dem einen Ultraschall¬ wandler (12) und dem weiteren Ultraschallwandler (14) mit Ausnahme mindestens eines Abschnitts, in dem die Querschnittsflache (A) konstant ist.
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