WO2011045107A1 - Ultraschallströmungssensor zur erfassung einer strömung eines fluiden mediums - Google Patents

Ultraschallströmungssensor zur erfassung einer strömung eines fluiden mediums Download PDF

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WO2011045107A1
WO2011045107A1 PCT/EP2010/062046 EP2010062046W WO2011045107A1 WO 2011045107 A1 WO2011045107 A1 WO 2011045107A1 EP 2010062046 W EP2010062046 W EP 2010062046W WO 2011045107 A1 WO2011045107 A1 WO 2011045107A1
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WO
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ultrasonic
waveguide
flow sensor
flow
paths
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PCT/EP2010/062046
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French (fr)
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Roland Mueller
Gerhard Hueftle
Michael Horstbrink
Tobias Lang
Sami Radwan
Bernd Kuenzl
Roland Wanja
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • 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

Definitions

  • Ultrasonic flow meters on the basis of at least two ultrasonic transducers are known from the prior art which are arranged offset in a flow tube in the direction of flow and send ultrasound signals to each other via at least one reflection surface. Examples of such ultrasonic sensors are in
  • Measurement arrangements are known from the prior art, in which a reflector can be integrated in a pipe wall or is attached to a sensor module, which, together with the ultrasonic transducers and electronics, results in a kind of plug-in sensor.
  • a reflector can be integrated in a pipe wall or is attached to a sensor module, which, together with the ultrasonic transducers and electronics, results in a kind of plug-in sensor.
  • DE 10 2004 061 404 A1 Likewise, a plurality of mutually non-parallel reflecting surfaces can be used to detect a larger proportion of the flow through the resulting ultrasonic path.
  • DE 43 36 370 C1 In this regard, reference may be made, for example, to DE 43 36 370 C1.
  • DE 10 2006 041 530 A1 proposes a tube-shaped shielding of an ultrasonic path with respect to a flowing medium.
  • the tubular shield is arranged such that in the rich one of the two ultrasonic transducers a tube is aligned so that a part of the transmission path of the ultrasonic wave is guided in this tube.
  • the tube is thereby completed by one of the ultrasonic transducers, and the ultrasonic running distance within the tube is thus not part of a flow-through measuring section.
  • DE 10 2006 023 479 A1 proposes a curved reflecting surface in which the sound is focused toward the other ultrasonic transducer and thus compensating for the waving of this ultrasonic wave. This is to be done in such a way that blasted beam portions reach a differently inclined reflector section and, due to this changed inclination, are still directed to the same or a similar reception point.
  • the reflection surface described in DE 10 2006 023 479 A1 is fastened in a flow tube or on a sensor module, which also accommodates the ultrasonic transducers.
  • a similar arrangement is also described in DE 10 2004 061 404 A1.
  • some reflection surfaces with convex curvatures are also known.
  • the ultrasound sensors known from the prior art have a number of technical challenges. These result in particular from the fact that different portions of the ultrasonic signals are transmitted in different ways at different flow velocities of the fluid medium.
  • the method described in DE 10 2006 023 479 A1 is based on focusing and at the same time compensating for a drift of the ultrasonic waves.
  • this compensation is difficult in practice, since usually different degrees of turbulence and velocity profiles are formed in the flow tube, depending on the flow rate, so that true compensation of the drift is only incompletely possible.
  • the received signal even with a complete compensation depending on the flow rate ultrasonic components from different emission and detection angles, which always have slightly different transfer functions in conventional ultrasonic transducers.
  • the ultrasonic flow sensor serves to detect a flow of a fluid medium in a flow tube.
  • the ultrasonic sensor can be used, for example, in an ultrasonic air mass meter (ultrasonic flow meter, ultrasonic flow meter, UFM), for example in the motor vehicle sector or in other areas of technology, the natural sciences or medical technology.
  • the fluid medium may be, for example, a liquid or a gas, for example
  • the flow pipe can be, for example, a flow pipe of an air intake and / or an exhaust gas tract of an internal combustion engine.
  • the ultrasonic flow sensor comprises at least a first ultrasonic transducer and at least one second ultrasonic transducer and at least one waveguide, wherein the waveguide is configured to ultrasonic waves between the at least one first ultrasonic transducer and the at least one second ultrasonic transducer (or vice versa, what this is to be implied) by Reflection on the walls of the waveguide, preferably at least partially by multiple reflection, to conduct.
  • the waveguide is designed to be flowed through by the fluid medium.
  • a hollow conductor is generally understood to mean an at least partially closed, tubular section or channel which has at least one reflection surface on which the reflections, preferably the multiple reflections, can take place.
  • the waveguide can also be referred to as a channel-like reflection and / or guide device or configured.
  • the waveguide can in particular be wholly or partly channel-shaped.
  • a multiple reflection is to be understood as meaning a reflection in which a predominant proportion of the signals transmitted between the ultrasonic transducers
  • Sound energy propagation paths follows, in which the ultrasonic waves are reflected at least twice, preferably at least three times and more preferably at least four times on at least one, preferably at least two reflecting surfaces of the waveguide.
  • the ultrasonic waves are reflected at least twice, preferably at least three times and more preferably at least four times on at least one, preferably at least two reflecting surfaces of the waveguide.
  • the sound components transmitted via reflection in particular multiple reflection, it is also possible to transmit sound components of the ultrasonic waves without
  • Reflection are transmitted without reflected on the at least one reflection surface to become.
  • a corresponding ultrasonic path, in which no reflection takes place, is correspondingly assigned a number of zero reflections.
  • the ultrasonic flow sensor according to the invention is set up such that the ultrasonic waves between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer can propagate on at least two ultrasonic paths.
  • an ultrasound path is understood to be a geometric connection between the first ultrasound transducer and the second ultrasound transducer or a group of such connections, which have a common number of reflections at the at least one reflection surface and along which at least a portion of the ultrasound can propagate.
  • ultrasonic paths there may be provided two, three, four or more ultrasonic paths, each having different reflections. At least two of these different ultrasound paths, preferably three, four or more or all of these different ultrasound paths should be substantially equal in terms of their contribution to the transmission of the sound energy between the ultrasound transducers. This means that sound energies of the ultrasonic waves transmitted on the at least two different ultrasound paths do not differ by more than a factor of 100, preferably by not more than a factor of 25 and more preferably not more than a factor of 4. If more than two different ultrasound paths are provided Thus, this condition may apply to at least two of these ultrasound paths, to more than two of these ultrasound paths, or even to all of these different ultrasound paths, in pairs. This condition generally ensures that in the ultrasonic flow sensor transmission of sound energy exceeds more than one
  • Ultrasound can be done, the different ultrasonic paths essentially are equal.
  • the ultrasound flow sensor can therefore be set up in particular such that different ultrasound paths are combined with different numbers of reflections, are at least partially equal in terms of their transmission and can contribute substantially equality to a signal formation of the ultrasound flow sensor.
  • the ultrasound transducer is preferably to be set up in such a way that the different ultrasound paths are not merely subordinate ultrasound paths, but preferably a substantial proportion of the total sound energy is to be transmitted via these at least two different ultrasound paths or via at least two or more of these different ultrasound paths ,
  • the sound energies of the ultrasonic waves transmitted via the at least two different ultrasound paths should together amount to at least 50%, preferably at least 60% or even at least 70% of an entire sound energy transmitted between the first ultrasound transducer and the second ultrasound transducer. This ensures that the collection effect described above does not only relate to subordinate ultrasound paths, but that the essential ultrasound paths are recorded with different numbers of reflections.
  • At least two different ultrasound paths may exist, with a number of n1 reflections occurring at a first ultrasound path and a number n2 reflections at a second ultrasound path, and a number at n3 reflections at a third ultrasound path, etc.
  • n1, n2 and optional n3, n4, etc. various non-negative integers, d. H. n1, n2, etc. are selected from the set ⁇ 0, 1, 2, 3, ... ⁇ and n1 n2, etc.
  • Ultrasonic components preferably add up to at least 50% of the sound energy.
  • the different ultrasound paths may be the main ultrasound paths, ie the ultrasound paths via which the strongest ultrasound components are transmitted.
  • the ultrasound transducers may be configured to emit and / or detect wave packets substantially within an angular range of main sound lobes.
  • an embodiment is to be understood in which at least 90% of the sound energy is emitted within the angular range of the main sound lobes, preferably more than 95%
  • the ultrasonic flow sensor is preferably set up such that sound components within the main sound lobes differ depending on an emission angle
  • the waveguide is preferably set up in such a way that the sound components of one of the ultrasound transducers are directed to the respective other of the ultrasound transducers and vice versa, whereby the sound components which differ with regard to the emission angle and the transfer function are preferably detected.
  • the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer can be arranged substantially symmetrically to the waveguide. This means that preferably the propagation distances of the ultrasonic signals, apart from the flow of the fluid medium, do not differ or only insignificantly in an emission direction from the first ultrasound transducer to the second ultrasound transducer and vice versa.
  • DE 10 2006 041 530 A1 discloses tubular shielding of an ultrasound path, which is deliberately chosen asymmetrically, so that no reflections that may possibly occur in this tube do not form a similar integration over the sidelobes or eccentric
  • the waveguide may, in particular, comprise at least one channel section, which is aligned substantially parallel to a main flow direction of the fluid medium.
  • a main direction of flow is to be understood as meaning a local preferred direction of the main mass or volume transport of the fluid medium at the location of the ultrasound sensor, whereby, for example, local vortices or local deviations can be neglected.
  • a slight deviation from a perfect parallelism can also be substantially parallel be understood preferably a deviation of not more than 20 °, in particular not more than 10 ° or even not more than 5 °.
  • the coupling of the ultrasonic waves in the waveguide can in principle be parallel or oblique to an axis of the waveguide. If the coupling is oblique to an axis of the waveguide, it is particularly preferred if the waveguide comprises at least two lateral openings for coupling ultrasonic waves in the channel section obliquely to the axis of the waveguide. These openings may include, for example, round, polygonal or basically any opening cross-sections or not completely enclosed by the material of the waveguide openings, so for example milled or recesses in walls of the waveguide. Furthermore, the openings may also comprise one or more supports which, for example, simplify mounting of the ultrasonic transducers relative to the openings.
  • the waveguide may further comprise in the region of the openings coupling elements for deflecting ultrasonic waves, in particular curved coupling surfaces.
  • the waveguide may in principle comprise one or more reflection surfaces. These reflection surfaces can be configured straight or curved.
  • the waveguide may in particular comprise at least one curved reflection surface.
  • reflection, such as multiple reflection, of the coupled ultrasonic waves takes place in the waveguide.
  • the majority of the coupled into the waveguide ultrasonic waves is reflected in the waveguide, but also shares without reflection can remain.
  • the ultrasonic flow sensor is set up such that ultrasound waves coupled into the waveguide are reflected on at least one of the possible ultrasound paths at least 3 times, and preferably at least 4 times or even at least 5 times or more, for example at least 10 times, at the at least one reflection surface.
  • the ultrasonic flow sensor may in particular be set up such that the
  • the ultrasonic flow sensor may in particular be configured such that a first part of the fluid medium flows through the waveguide and at least a second part of the fluid medium flows outside of the waveguide.
  • This arrangement has the particular advantage that the waveguide in the region of the ultrasonic flow sensor does not have to be configured at least completely identical to the flow tube.
  • the geometry of the ultrasonic flow sensor, the waveguide and / or the at least one reflection surface can be selected at least largely independently of the geometry and / or the dimension of the flow tube. This is not the case, for example, in the arrangements known from DE 43 36 370 C1 or DE 40 10 148 A1, for in these the flow tube itself is used as a reflector.
  • the ultrasonic flow sensor can be used, for example, in different geometries on flow tubes.
  • flow tubes with diameters of at least 600 mm can be used.
  • the flow tube may have a circular, a round, a polygonal or basically any cross-section.
  • the ultrasonic flow sensor can be wholly or partially configured as a plug-in sensor, ie as a component which can be inserted into the flow tube.
  • the insertability can be made reversible, so that the plug-in sensor is also removed from the flow tube again.
  • the plug-in sensor can be connected, for example, with the flow tube by a non-positive and / or positive and / or a material connection.
  • the ultrasonic flow sensor may also be permanently connected to the flow tube.
  • the waveguide may, as stated above, itself comprise one or more reflection surfaces, which may be configured straight or curved.
  • the waveguide may, in particular, have a cross section which is selected from the following cross sections: a polygonal cross section, in particular a triangular or rectangular cross section; a U-section; a trough-shaped cross section; a channel-shaped cross-section.
  • a polygonal cross section in particular a triangular or rectangular cross section
  • U-section a trough-shaped cross section
  • a channel-shaped cross-section Various embodiments and embodiments of these cross sections will be described in more detail below.
  • the waveguide is preferably configured at least partially different from the flow tube, that is, at least not completely identical to the component with the flow tube.
  • at least one reflection surface may be different from a wall of the flow tube.
  • the waveguide can also be configured at least partially identically with the flow tube, so that, for example, example, a wall of the flow tube is used as a wall surface, for example as a reflection surface of the waveguide.
  • the ultrasonic transducers can be arranged, in particular, in a measuring section of the flow tube which acts as a waveguide or which surrounds the waveguide. In particular, this may be a straight measuring section.
  • the measuring section may be part of the main flow pipe or may also be arranged wholly or partly in a bypass. In this case, the flow of the fluid medium can be coupled laterally into the measuring section, for example with inlets and outlets arranged on the same side of the measuring section or with inlets and outlets arranged on opposite sides.
  • the waveguide can in particular be arranged wholly or partly in a main flow tube.
  • the waveguide can also be accommodated at least partially in a bypass of the flow tube, ie a distance within which a portion of the fluid flowing through the flow tube is discharged from the main flow tube and passed through at least one secondary passage.
  • a measuring section can be arranged in this secondary channel, ie the bypass.
  • the proposed ultrasonic flow sensor has a number of advantages over known ultrasonic flow sensors and measuring principles.
  • the present invention in contrast to the prior art, does not necessarily implement a direct focus or targeted compensation of drifts, but it will be already without flow aware of the different
  • FIG. 1 shows an example of an ultrasonic wave packet for a transit time measurement
  • FIG. 2 shows a known ultrasonic flow sensor with a curved reflection surface
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of the ultrasonic flow sensor according to the invention
  • FIG. 5 is a perspective view of a waveguide
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor according to the invention
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor designed as a plug-in sensor
  • FIG. 8 shows an ultrasonic flow sensor with a direct coupling of the ultrasonic signals into the waveguide
  • FIGS. 12A and 12B show various views of the trough-shaped waveguide in FIG.
  • FIG. 16 shows an exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor in one embodiment
  • FIG. 1 shows a typical ultrasound wave packet, as can be used for transit time measurement.
  • the representation is taken from DE 10 2004 013 249 A1, so that reference can be made to this document for possible details of the ultrasonic wave packet.
  • Due to the limited bandwidth of conventional ultrasonic transducers the transient response of the ultrasonic wave packet extends over several ultrasonic oscillations, so that there is generally no natural, unambiguous reception time. Rather, a feature must first be defined, which is then to be detected as the time of reception. In order to achieve a high time resolution, the information content of the slowly rising envelope of the ultrasound signal according to FIG. 1 is generally insufficient for this purpose. Instead, z. B. a specific zero crossing of the ultrasonic signal can be evaluated with the corresponding larger slope.
  • a zero crossing time t 0 can be used after a threshold value SW has been exceeded.
  • the threshold value can be tracked from one to the next measurement.
  • the runtime can also be detected by other methods, which, however, should ultimately always be based on the recognition of features in the received signal history and thus react more or less sensitively to changes in the signal form.
  • Such changes can be at least partially compensated by the application of tion of control methods in which at least slow changes in the shape of the received signal waveform are detected and stored and taken into account in the detection of features in the received signals of subsequent measurements.
  • a fundamental difficulty is usually that an initial value must first be defined for such updates. If, for example, the amplitude of the received signals and thus also the tracked trigger threshold in FIG. 1 changes by more than the amplitude difference between two successive ultrasonic waves within the transient flank, a correct value is generally no longer reached after renewed switching on of the ultrasound flow sensor.
  • the ultrasonic flow sensor is switched off and then switched on again when the medium is at rest. In this case, the tracking would still be at the now incorrect value for high flow rates.
  • the ultrasonic flow sensor should therefore advantageously be designed such that the flow shifts the entire signal as a whole and its shape remains stable.
  • a possible cause of changes in the waveform is the radiation characteristics of the
  • Ultrasonic transducers In particular, the higher frequencies have a higher directivity within the transducer bandwidth, so that the spectrum tends to become lower frequency as the angle to the transducer axis of symmetry increases. As a result of the beam drift as a result of the flow to be measured, depending on the flow rate, different angular components of the emission and reception lobes of the ultrasonic transducers with correspondingly different transfer functions contribute more or less to the overall signal.
  • the change in the signal shape can not be completely compensated by a focusing reflection surface, as will be explained with reference to a prior art ultrasonic flow sensor 110 shown in FIG.
  • the ultrasonic flow sensor 110 can be used, for example, wholly or partially in a flow tube 12, which is only indicated by dashed lines in FIG. 2 and through which a fluid medium flows in a main flow direction 14.
  • the ultrasonic flow sensor 110 includes a first ultrasonic transducer 16 and a second ultrasonic transducer 118 and a curved reflection surface 120.
  • FIGS. 3A to 3D The behavior of the wavefronts of the ultrasonic signals and the sound focusing is shown in FIGS. 3A to 3D in a schematic diagram.
  • FIG. 3A illustrates a situation in which the curvature of the reflection surface 120 has been selected such that, when the flow is at rest, the ultrasonic waves are transmitted from an ultrasonic transducer 16, 18 to the ultrasonic transducer be focused on others. If a flow is then added which has a certain velocity profile in the flow tube 12, then the focus moves not only in the flow direction but also with a component lying transversely thereto (see FIG. 3B). In contrast, in FIG.
  • the curvature of the reflection surface 120 has been reduced to such an extent that the ultrasound signals are focused at least on the wall of the flow tube 1 12 at the same flow rate and flow profile as in FIG. 3B, although too far downstream of the second ultrasound transducer 1 18 If the flow now settles again, which is shown in FIG. 3C, the curvature of the reflection surface 120 is no longer sufficient for complete focusing.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor 110 according to the invention.
  • This ultrasonic flow sensor 1 10 is again wholly or partially in a flow tube 1 2, which is again indicated in Figure 4 only indicated by dashed lines, used.
  • the ultrasonic flow sensor 1 10 can also be wholly or partially integrated into a tube wall of the flow tube 1 10 or include the pipe wall.
  • the ultrasonic flow sensor 110 according to FIG. 1 comprises a waveguide 122, which is designed as a channel-like reflection and / or guide device.
  • the waveguide 122 is configured to conduct the ultrasonic signals from one of the ultrasonic transducers 16, 118 to the other via a plurality of reflections.
  • An opening cross-section of the waveguide 122 and a distance to the ultrasonic transducers 1 16, 1 18 can be designed such that that angular range of the ultrasonic transducer 1 16, 1 18 is detected, which contributes to the total signal due to the expected flow measuring range and within which the transfer function changes significantly , Depending on the flow rate or jet drift, different angular components with different numbers of reflections contribute to the overall signal. Accordingly, the ultrasonic flow sensor is arranged such that the ultrasonic waves between the ultrasonic transducers 1 16, 1 18 can be transmitted on at least two different ultrasonic paths 124, these ultrasonic paths differing in the number of their reflections. In the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • two ultrasonic paths 124 are shown by way of example, one with 25 reflections and one with 17 reflections. In this case, none of the ultrasonic paths 124 should significantly dominate the other ultrasonic paths 124. Thus, there should be at least two different ultrasonic paths 124 whose sound energy components differ by a maximum of a factor of 10, preferably by a maximum of a factor of 5 or less.
  • the energy portions of these various ultrasonic paths 124 may be detected experimentally, such as by masking other ultrasonic paths 124, such as by appropriate filters, masks, or similar elements, and then measuring the transmitted energy.
  • an empirical or semiempirical determination of the energy components can also take place. This can be done, for example, such that from a known radiation characteristic of the ultrasonic transducers 16 and / or 18, the components attributable to the respective ultrasonic paths 124 are calculated or determined, for example, by simulation.
  • the ultrasonic waves of the ultrasonic paths 124 depending on the sound path constructively or destructively interfere with each other, so that different modes can form, similar to a multimode optical fiber. Overall, this complex superposition of different portions of the emission and reception lobes to the effect that the converter influence is reduced and overall a more stable and clearer transit time measurement is possible.
  • the walls 126 of the waveguide 122 thus act as reflection surfaces 120, on which reflection, preferably multiple reflection, can take place.
  • the waveguide 122 is preferably configured symmetrically to the ultrasonic flow sensors 1 10. The waveguide 122 is traversed by the fluid medium.
  • FIG. 5 shows a perspective illustration of a possible embodiment of the waveguide 122.
  • the waveguide 122 knows thereby for an oblique coupling of the ultrasonic signals, obliquely to the main flow direction 1 14, openings 128. These openings 128 can be configured, for example, in the form of recesses from partial openings for coupling and uncoupling the ultrasonic signals.
  • the waveguide 122 may have a channel-like, tubular structure.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the ultrasonic flow sensor 10 according to FIG.
  • two ultrasonic paths 124 are shown by way of example again. one with 5 reflections and one with 9 reflections.
  • further ultrasonic paths 124 may exist, which are not shown in FIG.
  • coupling elements 130 can be provided for improving the coupling or decoupling of the ultrasound signals.
  • these coupling elements 130 may be curved coupling surfaces.
  • These form supportive reflection geometries at the inlet and outlet of the waveguide 122 which, as shown in Figure 6, for example, can be configured curved.
  • another embodiment is in principle possible, for example, a configuration with straight coupling surfaces as coupling elements 130.
  • the curved design and coupling for example, a flush mounting of the ultrasonic transducer 1 16, 1 18 is possible or easier.
  • FIG. 7 shows a configuration of a waveguide 122, which may be referred to as a
  • the ultrasonic flow sensor 1 10 or the waveguide 122 is configured as a plug-in sensor 132, which can be introduced into the flow tube 1 12 and / or mounted in this.
  • the waveguide 122, so the reflection or guide device, parts of the flow tube 1 12 be or be configured identically with this.
  • the waveguide 122 may in particular be flowed through by the entire flow or by a certain proportion of the same.
  • the waveguide 122 may be used to aerodynamically conduct, besides the ultrasound, also the flow of the fluid medium, and may for example be rectangular, triangular, polygonal, circular, oval shaped in a similar manner.
  • FIG. 8 once again shows an exemplary embodiment of an ultrasonic flow sensor 110.
  • the ultrasonic transducers 1 16, 1 18 are not arranged obliquely to an axis of the waveguide 122, but in axial symmetry to the waveguide 122 or its longitudinal extension axis.
  • the waveguide 122 may, as in the other embodiments, be wholly or partially integrated in the flow tube, but may also be designed completely or partially different from the flow tube, as shown in Figure 8.
  • different ultrasonic paths 124 are shown by way of example, namely an ultrasonic path with two reflections, an ultrasonic path with a reflection and an ultrasonic path, in which no reflection takes place.
  • the waveguide 122 may be rounded in this and in other embodiments at its inlet and outlet openings and / or be conical and / or taper conically or rounded and then expand again. Such possible geometries are shown in FIGS. 9 and 10, which respectively show longitudinal sections parallel to a main flow direction 14.
  • the waveguide 122 may be channel-like, U-shaped, tubular, trough-shaped or groove-like.
  • Figure 1 1 shows an embodiment of a trough-shaped waveguide 122, which is introduced into a flow tube 1 12 and inlet and outlet ports 134 for the fluid medium and nozzle 136 has openings 128 for the coupling and decoupling of ultrasound signals.
  • the waveguide 122 is designed as a channel, which has a total of a trough shape.
  • FIG. 12A the waveguide 122 is shown in a perspective view, whereas FIG. 12B shows a cross-section in a plane perpendicular to the main flow direction 14, from which the shape of the bathtub clearly emerges.
  • FIGS. 13A to 13D show various alternative cross sections of the waveguide
  • FIG. 13A corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 12B and shows a trough shape.
  • the exemplary embodiments in FIGS. 13B and 13C show U-shapes of different widths, and the exemplary embodiment in FIG. 13D shows a channel shape.
  • FIGS. 14 and 15 show exemplary embodiments of an ultrasonic flow sensor 110, in which the waveguide 122 is at least partially identical to the flow tube 12.
  • Such a configuration can in particular be such that the ultrasonic transducers 16, 18 are arranged such that their symmetry or main emission axes extend in the main flow direction 14.
  • Walls 126 of the flow tube 12 may optionally be curved and, as shown optionally in FIGS. 14 and 15, form curved reflecting surfaces 120.
  • the flow of the fluid medium, as shown in Figure 14, on one side of the flow tube 1 12 are coupled into this or, as shown in Figure 15, on opposite sides of the flow tube 1 12, wherein a portion of
  • the waveguide 122 can also be arranged as a separate tube within the outer flow tube 112 or only partially into the tube Flow tube 1 12 are integrated.
  • the waveguide 122 which acts as a reflection or guide device, can also be arranged completely or partially in a bypass 140 of the flow tube 1 12.
  • this arrangement corresponds to the arrangement of Figure 14, but the waveguide 122 is not identical to the flow tube 1 12, but with a bypass 140. This bypass is via inlet and outlet ports 134, which also completely or partially into the flow tube 1 12th protrude and form a flow line, connected to the flow tube 1 12.
  • the waveguide 122 acting as a reflection or guide device can also consist of parts of a reflection surface 120 combined with parts of the flow tube 1 12, so that, for example, reflections are used according to the invention both on the reflection surface 120 and on the tube wall of the flow tube 1 12 can.

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Abstract

Es wird ein Ultraschallströmungssensor (110) zur Erfassung einer Strömung eines fluiden Mediums in einem Strömungsrohr (112) vorgeschlagen. Der Ultraschallströmungssensor (110) umfasst mindestens einen ersten Ultraschallwandler (116) und mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (1 18) sowie mindestens einen Hohlleiter (122). Der Hohlleiter (122) ist ausgestaltet, um Ultraschallwellen zwischen dem mindestens einen ersten Ultraschallwandler (116) und dem mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (118) durch Reflexion an Wänden (126) des Hohlleiters (122) zu leiten. Der Hohlleiter (122) ist weiterhin ausgestaltet, um von dem fluiden Medium durchströmt zu werden. Der Ultraschallströmungssensor (110) ist derart eingerichtet, dass sich die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Ultraschallwandler (116) und dem zweiten Ultraschallwandler (118) auf mindestens zwei Ultraschallwegen (124) ausbreiten können. Die Ultraschallwellen werden auf den unterschiedlichen Ultraschallwegen (124) unterschiedlich oft reflektiert. Schallenergien der auf den mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwegen (124) übertragenen Ultraschallwellen unterscheiden sich um nicht mehr als einen Faktor 100.

Description

Beschreibung
Titel
Ultraschallströmungssensor zur Erfassung einer Strömung eines fluiden Mediums Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallströmungsmesser auf der Basis von mindestens zwei Ultraschallwandlern bekannt, die in einem Strömungsrohr in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind und sich über mindestens eine Reflexionsfläche ge- genseitig Ultraschallsignale zusenden. Beispiele derartiger Ultraschallsensoren sind in
DE 10 2004 061 404, in DE 10 2006 023 479 A1 , in DE 40 10 148 A1 oder in DE 10 2006 041 530 A1 beschrieben. Für mögliche Ausgestaltungen der Ultraschallwandler und mögliche Messprinzipien kann daher exemplarisch auf diese Druckschriften verwiesen werden. Beispielsweise wird eine Schallausbreitung in einer Strömungsrichtung eines fluiden Mediums beschleunigt und gegen die Strömungsrichtung verzögert. Durch eine Messung der Ultraschalllaufzeit in beiden Richtungen kann der Einfluss der Schallgeschwindigkeit kompensiert werden und die Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von dieser Schallgeschwindigkeit ermittelt werden, welche im Fall eines Gases als strömendem Medium hauptsächlich von der Temperatur und der Gaszusammensetzung (beispielsweise der Luftfeuchte) und in geringerem Maße auch vom Druck abhängt.
Aus dem Stand der Technik sind Messanordnungen bekannt, bei denen ein Reflektor in einer Rohrwandung integriert sein kann oder auch an einem Sensormodul befestigt ist, wodurch sich, gemeinsam mit den Ultraschallwandlern und einer Elektronik, eine Art Steckfühler ergibt. Diesbezüglich kann beispielsweise auf DE 10 2004 061 404 A1 verwiesen werden. Ebenso können mehrere zueinander nicht-parallele Reflexionsflächen verwendet werden, um durch den resultierenden Ultraschallpfad einen größeren Anteil der Strömung zu erfassen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf DE 43 36 370 C1 verwiesen werden. Darüber hinaus wird in DE 10 2006 041 530 A1 eine röhrenför- mige Abschirmung eines Ultraschallpfades gegenüber einem strömenden Medium vorgeschlagen. Die röhrenförmige Abschirmung ist dabei derart angeordnet, dass im Be- reich eines der beiden Ultraschallwandler ein Rohr so ausgerichtet ist, dass ein Teil des Übertragungswegs der Ultraschallwelle in diesem Rohr geführt wird. Das Rohr wird dabei durch einen der Ultraschallwandler abgeschlossen, und die Ultraschall- Laufstrecke innerhalb des Rohres ist somit nicht Teil einer durchströmten Messstrecke.
In DE 10 2006 023 479 A1 wird eine gekrümmte Reflexionsfläche vorgeschlagen, bei welcher der Schall zum jeweils anderen Ultraschallwandler hin fokussiert wird und so das Verwehen dieser Ultraschallwelle kompensiert wird. Dies soll in einer Weise erfolgen, dass verwehte Strahlanteile auf einen anders geneigten Reflektorabschnitt gelan- gen und durch diese geänderte Neigung immer noch auf denselben oder einen ähnlichen Empfangspunkt gelenkt werden. Die in DE 10 2006 023 479 A1 beschriebene Reflexionsfläche ist dabei in ein Strömungsrohr oder an einem Sensormodul befestigt, welches auch die Ultraschallwandler aufnimmt. Eine ähnliche Anordnung ist auch in DE 10 2004 061 404 A1 beschrieben. Daneben sind teilweise auch Reflexionsflächen mit konvexen Krümmungen bekannt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallsensoren weisen jedoch eine Mehrzahl technischer Herausforderungen auf. Diese ergeben sich insbesondere daraus, dass unterschiedliche Anteile der Ultraschallsignale bei verschiedenen Strö- mungsgeschwindigkeiten des fluiden Mediums auf unterschiedliche Weise transmittiert werden. So beruht beispielsweise das in DE 10 2006 023 479 A1 beschriebene Verfahren auf einer Fokussierung und gleichzeitig einer Kompensation einer Verwehung der Ultraschallwellen. Diese Kompensation gestaltet sich in der Praxis jedoch schwierig, da sich in der Regel je nach Strömungsrate im Strömungsrohr unterschiedliche Turbu- lenzgrade und Geschwindigkeitsprofile ausbilden, so dass eine echte Kompensation der Verwehung nur unvollständig möglich ist. Außerdem enthält das Empfangssignal selbst bei einer vollständigen Kompensation je nach Strömungsrate Ultraschallanteile aus unterschiedlichen Emissions- bzw. Detektionswinkeln, die bei üblichen Ultraschallwandlern immer leicht unterschiedliche Übertragungsfunktionen aufweisen. Diese Unterschiede können zu Signalverzerrungen führen, die gerade bei höheren Strömungsraten eine eindeutige Laufzeitmessung erheblich erschweren. Dem kann bisher nur entgegengewirkt werden, indem aus mehreren Strömungsmessungen aus der Vergangenheit zumindest im Prinzip Prognosen für die Zukunft erstellt werden. Diese Prognosen sind einerseits sehr aufwendig und können andererseits bei Störungen oder schnellen Änderungen der Strömungsrate versagen. Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Ultraschallströmungssensor vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Ultraschallströmungssensoren zumindest weitgehend vermeidet. Der Ultra- schallströmungssensor dient zur Erfassung einer Strömung eines fluiden Mediums in einem Strömungsrohr. Der Ultraschallsensor kann beispielsweise in einem Ultraschall- Luftmassenmesser (ultrasonic flow meter, Ultraschallströmungsmesser, UFM) eingesetzt werden, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich oder in anderen Bereichen der Technik, der Naturwissenschaften oder der Medizintechnik. Bei dem fluiden Medium kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln, beispielsweise
Luft. Dementsprechend kann es sich bei dem Strömungsrohr beispielsweise um ein Strömungsrohr einer Luftansaugung und/oder eines Abgastrakts einer Brennkraftmaschine handeln. Der Ultraschallströmungssensor umfasst mindestens einen ersten Ultraschallwandler und mindestens einen zweiten Ultraschallwandler sowie mindestens einen Hohlleiter, wobei der Hohlleiter ausgestaltet ist, um Ultraschallwellen zwischen dem mindestens einen ersten Ultraschallwandler und dem mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (o- der umgekehrt, was hiervon impliziert sein soll) durch Reflexion an den Wänden des Hohlleiters, vorzugsweise zumindest teilweise durch Mehrfachreflexion, zu leiten. Dabei ist der Hohlleiter ausgestaltet, um von dem fluiden Medium durchströmt zu werden.
Unter einem Hohleiter wird dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein zumindest teilweise geschlossener, röhrenförmiger Abschnitt oder Kanal verstanden, welcher mindestens eine Reflexionsfläche aufweist, an welcher die Reflexionen, vorzugsweise die Mehrfachreflexionen, stattfinden können. Der Hohlleiter kann dementsprechend auch als kanalartige Reflexions- und/oder Leitvorrichtung bezeichnet werden oder ausgestaltet sein. Der Hohlleiter kann insbesondere ganz oder teilweise kanalartig ausgestaltet sein. Unter einer Mehrfachreflexion ist dabei eine Reflexion zu verstehen, bei der ein überwiegender Anteil der zwischen den Ultraschallwandlern übertragenen
Schallenergie Ausbreitungspfaden folgt, bei denen die Ultraschallwellen mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens dreimal und besonders bevorzugt mindestens viermal an mindestens einer, vorzugsweise mindestens zwei Reflexionsflächen des Hohlleiters reflektiert werden. Zusätzlich zu den über Reflexion, insbesondere Mehrfachreflexi- on, übertragenen Schallanteilen können auch Schallanteile der Ultraschallwellen ohne
Reflexion übertragen werden, ohne an der mindestens einen Reflexionsfläche reflektiert zu werden. Einem entsprechenden Ultraschallweg, in welchem keine Reflexion stattfindet, wird entsprechend eine Anzahl an Null Reflexionen zugewiesen.
Der Ultraschallströmungssensor ist erfindungsgemäß derart eingerichtet, dass sich die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler auf mindestens zwei Ultraschallwegen ausbreiten können. Die Ultraschallwellen werden auf den unterschiedlichen Ultraschallwegen unterschiedlich oft reflektiert. Beispielsweise kann ein Ultraschallweg ohne Reflexion vorliegen (Zahl der Reflexionen = Null), ein Ultraschallweg mit einer Reflexion, ein Ultraschallweg mit zwei Reflexionen, ein Ultraschallweg mit drei Reflexionen, ein Ultraschallweg mit vier Reflexionen, usw., oder eine Anordnung mit einer beliebigen Auswahl von mindestens zwei dieser Ultraschallwege, vorzugsweise drei, vier oder mehr.
Dies bedeutet, dass die Ultraschallwandler von ihrer Emissionscharakteristik und/oder ihrer Empfangscharakteristik her derart eingerichtet sind, dass zumindest Anteile der emittierten bzw. empfangenen Ultraschallwellen sich auf geometrisch unterschiedlichen Ultraschallwegen ausbreiten. Unter einem Ultraschallweg wird dabei eine geometrische Verbindung zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler oder eine Gruppe derartiger Verbindungen verstanden, welche eine ge- meinsame Anzahl an Reflexionen an der mindestens einen Reflexionsfläche aufweisen und entlang derer sich zumindest ein Anteil des Ultraschalls ausbreiten kann.
Es können zwei, drei, vier oder mehr Ultraschallwege vorgesehen sein, die jeweils unterschiedliche Reflexionen aufweisen. Dabei sollen mindestens zwei dieser verschie- denen Ultraschallwege, vorzugsweise drei, vier oder mehr oder alle dieser verschiedenen Ultraschallwege im Wesentlichen gleichberechtigt sein hinsichtlich ihres Anteils an der Übertragung der Schallenergie zwischen den Ultraschallwandlern. Dies bedeutet, dass sich Schallenergien der auf den mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwegen übertragenen Ultraschallwellen um nicht mehr als einen Faktor 100 unterscheiden, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 25 und besonders bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 4. Sind mehr als zwei verschiedene Ultraschallwege vorgesehen, so kann diese Bedingung für mindestens zwei dieser Ultraschallwege gelten, für mehr als zwei dieser Ultraschallwege oder sogar für alle dieser verschiedenen Ultraschallwege, jeweils paarweise. Diese Bedingung sorgt allgemein dafür, dass bei dem Ultraschallströmungssensor eine Übertragung von Schallenergie über mehr als einen
Ultraschallweg erfolgen kann, wobei die verschiedenen Ultraschallwege im Wesentli- chen gleichberechtigt sind. Der Ultraschallströmungssensor kann also insbesondere derart eingerichtet sein, dass unterschiedliche Ultraschallwege mit unterschiedlichen Anzahlen an Reflexionen zusammengefasst werden, zumindest teilweise hinsichtlich ihrer Übertragung gleichberechtigt sind und im Wesentlichen gleichberechtigt zu einer Signalbildung des Ultraschallströmungssensors beitragen können. Dies verdeutlicht den Wellenleitereffekt des Hohlleiters, welcher also einen„Sammeleffekt" hinsichtlich unterschiedlicher Emissionsanteile der Ultraschallwellen, beispielsweise hinsichtlich unterschiedlicher Raumwinkelbereiche der Emission bzw. des Empfangs der Ultraschallwandler aufweisen kann. Damit unterscheidet sich der vorgeschlagene Ultra- schallströmungssensor beispielsweise hinsichtlich der in DE 40 10 148 A1 vorgeschlagenen Anordnung, bei welcher ein Anteil eines V-förmigen Ultraschallwegs zwischen zwei Ultraschallwandlern gegenüber einem W-förmigen Ultraschallweg als„parasitärer" Ultraschallweg betrachtet und stark unterdrückt wird. Weiterhin soll der Ultraschallwandler vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass es sich bei den unterschiedlichen Ultraschallwegen nicht um lediglich untergeordnete Ultraschallwege handelt, sondern es soll vorzugsweise ein wesentlicher Anteil der gesamten Schallenergie über diese mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwege oder über zumindest zwei oder mehr dieser unterschiedlichen Ultraschallwege übertragen werden. In anderen Worten sollte die Schallenergien der über die mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwege übertragenen Ultraschallwellen zusammen mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 60% oder sogar mindestens 70% einer gesamten zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler übertragenen Schallenergie betragen. Damit kann sichergestellt werden, dass der oben beschriebe- ne Sammeleffekt sich nicht nur auf untergeordnete Ultraschallwege bezieht, sondern dass die wesentlichen Ultraschallwege mit unterschiedlichen Anzahlen an Reflexionen erfasst werden.
Beispielsweise können mindestens zwei verschiedene Ultraschallwege existieren, wo- bei bei einem ersten Ultraschallweg eine Anzahl an n1 Reflexionen auftritt und bei einem zweiten Ultraschallweg eine Anzahl an n2 Reflexionen und vorzugsweise bei einem dritten Ultraschallweg eine Anzahl an n3 Reflexionen usw. Dabei sind n1 , n2 und optional n3, n4 usw. verschiedene nicht-negative ganze Zahlen, d. h. n1 , n2 usw. sind ausgewählt aus der Menge {0, 1 , 2, 3, ...} und n1 n2 usw. Die Schallenergien der über die mindestens zwei Ultraschallwege zwischen den Ultraschallwandlern übertragenen
Ultraschallanteile summieren sich vorzugsweise auf mindestens 50% der Schallenergie. Beispielsweise kann es sich bei den verschiedenen Ultraschallwegen um die Haupt- Ultraschallwege handeln, also um die Ultraschallwege, über die die stärksten Ultraschallanteile übertragen werden.
Die Ultraschallwandler können insbesondere eingerichtet sein, um Wellenpakete im Wesentlichen innerhalb eines Winkelbereichs von Hauptschallkeulen zu emittieren und/oder zu detektieren. Unter„im Wesentlichen" ist dabei eine Ausgestaltung zu verstehen, bei welcher mindestens 90% der Schallenergie innerhalb des Winkelbereichs der Hauptschallkeulen emittiert werden, vorzugsweise mehr als 95%. Der Ultraschallströmungssensor ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass Schallanteilen innerhalb der Hauptschallkeulen abhängig von einem Emissionswinkel unterschiedliche Übertragungsfunktionen zugeordnet werden können. Der Hohlleiter ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass die Schallanteile jeweils eines der Ultraschallwandler auf den jeweils anderen der Ultraschallwandler gelenkt werden und umgekehrt, wobei vorzugsweise die Schallanteile erfasst werden, die sich hinsichtlich des Emissionswinkels und der Übertragungsfunktion unterscheiden.
Der erste Ultraschallwandler und der zweite Ultraschallwandler können dabei im Wesentlichen symmetrisch zu dem Hohlleiter angeordnet sein. Dies bedeutet, dass sich vorzugsweise die Ausbreitungsstrecken der Ultraschallsignale, abgesehen von der Strö- mung des fluiden Mediums, in einer Emissionsrichtung vom ersten Ultraschallwandler hin zum zweiten Ultraschallwandler und umgekehrt nicht oder nur unwesentlich unterscheiden. Im Gegensatz hierzu wird, wie oben bereits ausgeführt, in DE 10 2006 041 530 A1 röhrenförmige Abschirmung eines Ultraschallpfades offenbart, welche bewusst asymmetrisch gewählt wird, so dass durch möglicherweise in diesem Rohr stattfindende Reflexionen keine gleichartige Integration über die Nebenkeulen oder außerzentrische
Abstrahlungsanteile beider Ultraschallwandler erfolgen kann. Zudem wird die in DE 10 2006 041 530 A1 beschriebe röhrenförmige Abschirmung nicht von dem fluiden Medium durchströmt. Der Hohlleiter kann insbesondere mindestens einen Kanalabschnitt umfassen, welcher im Wesentlichen parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums ausgerichtet ist. Unter einer Hauptströmungsrichtung ist dabei eine lokale Vorzugsrichtung des hauptsächlichen Massen- oder Volumentransports des fluiden Mediums am Ort des Ultraschallsensors zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Wirbelbildungen oder lokale Abweichungen vernachlässigt werden können.„Im Wesentlichen parallel" kann dabei auch eine leichte Abweichung von einer perfekten Parallelität verstanden werden, vor- zugsweise einer Abweichung um nicht mehr als 20°, insbesondere um nicht mehr als 10° oder sogar nicht mehr als 5°.
Die Einkopplung der Ultraschallwellen in den Hohlleiter kann grundsätzlich parallel oder auch schräg zu einer Achse des Hohlleiters erfolgen. Erfolgt die Einkopplung schräg zu einer Achse des Hohlleiters, so ist es besonders bevorzugt, wenn der Hohlleiter mindestens zwei seitliche Öffnungen zum Einkoppeln von Ultraschallwellen in den Kanalabschnitt schräg zur Achse des Hohlleiters umfasst. Diese Öffnungen können beispielsweise runde, polygonale oder grundsätzlich beliebige Öffnungsquerschnitte umfassen oder auch nicht vollständig vom Material des Hohlleiters umschlossene Öffnungen, also beispielsweise Einfräsungen oder Aussparungen in Wänden des Hohlleiters. Weiterhin können die Öffnungen auch einen oder mehrere Stützen umfassen, welche beispielsweise eine Montage der Ultraschallwandler relativ zu den Öffnungen vereinfachen. Der Hohlleiter kann weiterhin im Bereich der Öffnungen Koppelelemente zum Umlenken von Ultraschallwellen aufweisen, insbesondere gekrümmte Koppelflächen. Der Hohlleiter kann grundsätzlich eine oder mehrere Reflexionsflächen umfassen. Diese Reflexionsflächen können gerade oder auch gekrümmt ausgestaltet sein. So kann der Hohlleiter insbesondere mindestens eine gekrümmte Reflexionsfläche umfassen. Wie oben darstellt, findet in dem Hohlleiter eine Reflexion, beispielsweise eine Mehrfachreflexion, der eingekoppelten Ultraschallwellen statt. Vorzugsweise wird der überwiegende Anteil der in den Hohlleiter eingekoppelten Ultraschallwellen in dem Hohlleiter reflektiert, wobei jedoch auch Anteile ohne Reflexion verbleiben können. Vorzugsweise ist der Ultraschallströmungssensor derart eingerichtet, dass in den Hohlleiter eingekoppelte Ult- raschallwellen auf mindestens einem der möglichen Ultraschallwege mindestens 3 mal und vorzugsweise mindestens 4 mal oder sogar mindestens 5 mal oder öfters, beispielsweise mindestens 10 mal, an der mindestens einen Reflexionsfläche reflektiert werden. Der Ultraschallströmungssensor kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass der
Hohlleiter nicht von dem gesamten fluiden Medium durchströmt wird. So kann der Ultraschallströmungssensor insbesondere derart eingerichtet sein, dass ein erster Teil des fluiden Mediums den Hohlleiter durchströmt und mindestens ein zweiter Teil des fluiden Mediums außerhalb des Hohlleiters strömt. Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass der Hohlleiter im Bereich des Ultraschallströmungssensors zumindest nicht vollständig bauteilidentisch mit dem Strömungsrohr ausgestaltet sein muss. Auf diese Weise kann beispielsweise die Geometrie des Ultraschallströmungssensors, des Hohlleiters und/oder der mindestens einen Reflexionsfläche zumindest weitgehend unabhängig von der Geometrie und/oder der Dimension des Strömungsrohrs gewählt werden. Dies ist beispielsweise bei den aus DE 43 36 370 C1 oder DE 40 10 148 A1 bekannten Anordnungen nicht der Fall, denn bei diesen wird das Strömungsrohr selbst als Reflektor eingesetzt. Damit kann erfindungsgemäß der Ultraschallströmungssensor beispielsweise in unterschiedlichen Geometrien an Strömungsrohren eingesetzt werden. Beispielsweise können Strömungsrohre mit Durchmessern von mindestens 600 mm verwendet werden. Bei Strömungsrohren mit derartig hohen Durchmessern sind Anordnungen, bei denen das Strömungsrohr selbst als Reflektor verwendet wird, aufgrund der Streuung der Ultraschallwellen in der Regel kaum mehr zu realisieren. Das Strömungsrohr kann einen kreisförmigen, einen runden, einen polygonalen oder grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Der Ultraschallströmungssensor kann insbesondere ganz oder teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein, also als Bauteil, welches in das Strömungsrohr einsteckbar sein kann. Dabei kann die Einsteckbarkeit reversibel ausgestaltet werden, so dass der Steckfühler auch wieder aus dem Strömungsrohr entfernbar ist. Der Steckfühler kann beispielsweise mit dem Strömungsrohr durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder eine stoffschlüssige Verbindung verbunden sein. Alternativ kann der Ultraschallströmungssensor auch permanent mit dem Strömungsrohr verbunden sein.
Der Hohlleiter kann, wie oben ausgeführt, selbst eine oder mehrere Reflexionsflächen umfassen, welche gerade oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können. Der Hohlleiter kann insbesondere einen Querschnitt aufweisen, welcher ausgewählt ist aus den folgenden Querschnitten: ein polygonaler Querschnitt, insbesondere ein dreieckiger oder rechteckiger Querschnitt; ein U-Querschnitt; ein wannenförmiger Querschnitt; ein rinnen- förmiger Querschnitt. Verschiedene Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele dieser Querschnitte werden unten noch näher beschrieben.
Der Hohlleiter ist vorzugsweise zumindest teilweise verschieden von dem Strömungsrohr ausgestaltet, also zumindest nicht vollständig bauteilidentisch mit dem Strömungsrohr. Insbesondere kann mindestens eine Reflexionsfläche von einer Wand des Strömungsrohrs verschieden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlleiter jedoch auch zumindest teilweise identisch mit dem Strömungsrohr ausgestaltet sein, so dass beispiels- weise eine Wand des Strömungsrohrs als Wandfläche, beispielsweise als Reflexionsfläche des Hohlleiters mitgenutzt wird.
Die Ultraschallwandler können insbesondere in einer als Hohlleiter wirkenden oder den Hohlleiter umfassenden Messstrecke des Strömungsrohrs angeordnet sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine gerade Messstrecke handeln. Die Messstrecke kann Bestandteil des Haupt-Strömungsrohrs sein oder kann auch ganz oder teilweise in einem Bypass angeordnet sein. Die Strömung des fluiden Mediums kann in diesem Fall beispielsweise seitlich in die Messstrecke eingekoppelt werden, beispielsweise mit auf je- weils der gleichen Seite der Messstrecke angeordneten Ein- bzw. Auslässen oder mit auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten Ein- und Auslässen.
Wie oben dargestellt, kann der Hohlleiter insbesondere ganz oder teilweise in einem Haupt-Strömungsrohr angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlleiter jedoch auch zumindest teilweise in einem Bypass des Strömungsrohrs aufgenommen sein, also einer Strecke, innerhalb derer ein Teil des durch des Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums aus dem Haupt-Strömungsrohr ausgeleitet und durch mindestens einen Nebenkanal geleitet wird. Beispielsweise kann eine Messstrecke in diesen Nebenkanal, also dem Bypass, angeordnet sein.
Der vorgeschlagene Ultraschallströmungssensor weist gegenüber bekannten Ultraschallströmungssensoren und Messprinzipien eine Vielzahl von Vorteilen auf. So wird in der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht notwendigerweise eine direkte Fokussierung oder gezielte Kompensation von Verwehungen umgesetzt, sondern es werden bereits ohne Strömung bewusst die unterschiedlichen
Winkelanteile der Ultraschallkeule mit berücksichtigt und je nach gewählter Ausführungsform durch mehrfache Reflexionen quasi statistisch überlagert. Dadurch trägt eine deutlich größere Vielfalt unterschiedliche Übertragungsfunktionen zum Gesamtsignal bei, die den Strahlverwehungseffekt überwiegt. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine konstantere Signalform über die zu erwartenden Quereinflüsse wie beispielsweise Einflüsse von Temperatur, Druck, Luftfeuchte, Kontamination, Alterung oder Strömungsrate. Damit lässt sich der Strömungsmessbereich, innerhalb dessen eine genaue und eindeutige Laufzeitmessung möglich ist, deutlich vergrößern. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Beispiel eines Ultraschallwellenpakets für eine Laufzeitmessung;
Figur 2 ein bekannter Ultraschallströmungssensor mit einer gekrümmten Reflexionsfläche;
eine Ausbreitung von Ultraschallwellen bei gekrümmten Reflexionsflächen bei unterschiedlichen Strömungsverhältnissen;
Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors;
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Hohlleiters; Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors;
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines als Steckfühler ausgestalteten Ultraschallströmungssensors;
Figur 8 ein Ultraschallströmungssensor mit einer geraden Einkopplung der Ultraschallsignale in den Hohlleiter;
Figuren
9 und 10 verschiedene Längsquerschnitte von Hohlleitern; ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors mit einem wannenförmigen Hohlleiter; Figuren
12A und 12B verschiedene Darstellungen des wannenförmigen Hohlleiters in Figur
1 1 ;
Figuren
13A bis 13D verschiedene Querschnitte möglicher Hohlleiter; Figuren
14 und 15 verschiedene Ausführungsbeispiele mit in das Strömungsrohr integrierten Hohlleitern; und
Figur 16 ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors in einem
Bypass des Strömungsrohrs.
Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein typisches Ultraschallwellenpaket dargestellt, wie es zur Laufzeitmessung verwendet werden kann. Die Darstellung ist übernommen aus DE 10 2004 013 249 A1 , so dass für mögliche Details des Ultraschallwellenpakets auf dieses Dokument ver- wiesen werden kann. Durch die begrenzte Bandbreite üblicher Ultraschallwandler erstreckt sich der Einschwingvorgang des Ultraschallwellenpakets über mehrere Ultraschalloszillationen hinweg, so dass es in der Regel keinen natürlichen, eindeutigen Empfangszeitpunkt gibt. Es muss vielmehr erst ein Merkmal definiert werden, welches dann als Empfangszeitpunkt zu detektieren ist. Um eine hohe Zeitauflösung zu erzielen, reicht hierzu der Informationsgehalt der langsam ansteigenden Hüllkurve des Ultraschallsignals gemäß Figur 1 in der Regel jedoch nicht aus. Stattdessen kann z. B. ein bestimmter Nulldurchgang des Ultraschallsignals mit der entsprechenden größeren Steigung ausgewertet werden. Um ein eindeutiges Ergebnis zu erzielen, kann beispielsweise ein Nulldurchgangszeitpunkt t0 nach Überschreiten eines Schwellwerts SW verwendet wer- den. Um ein von Schwankungen der Signalamplitude unabhängiges Ergebnis zu erzielen, kann der Schwellwert von einer zur nächsten Messung nachgeführt werden.
Alternativ kann die Laufzeit auch mit anderen Verfahren erfasst werden, die aber letztendlich immer auf der Erkennung von Merkmalen im Empfangssignal-Verlauf beruhen sollten und damit mehr oder weniger empfindlich auf Änderungen der Signalform reagieren. Solche Änderungen können zumindest teilweise kompensiert werden durch Anwen- dung von Regelverfahren, bei denen zumindest langsame Änderungen der Form des Empfangssignal-Verlaufs erkannt und gespeichert werden und bei der Erkennung von Merkmalen in den Empfangssignalen nachfolgender Messungen berücksichtigt werden. Eine Grundschwierigkeit besteht jedoch dabei in der Regel darin, dass für solche Nachführungen zunächst ein Initialwert festgelegt werden muss. Ändert sich z.B. die Amplitude der Empfangssignale und damit auch die nachgeführte Triggerschwelle in Fig. 1 um mehr als den Amplitudenunterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ultraschallwellen innerhalb der Einschwingflanke, dann wird in der Regel nach einem erneuten Ein- schalten des Ultraschallströmungssensors ein korrekter Wert nicht mehr erreicht. Abhilfe könnte hier zwar ein nichtflüchtiger RAM-Speicher schaffen. Allerdings kann dann immer noch der Fall eintreten, dass sich die Nachführung mit zunehmender Strömungsrate maximal weit vom Initialwert wegbewegt, der Ultraschallströmungssensor abgeschaltet und danach bei ruhendem Medium wieder eingeschaltet wird. In diesem Fall wäre die Nachführung immer noch auf dem nun falschen Wert für hohe Strömungsraten.
Im Gegensatz zu einer Nachführung wäre es also vorteilhaft, wenn von vorneherein apparativ dafür gesorgt würde, dass die Signalform über alle Betriebszustände und über die Lebensdauer hinweg einschließlich aller Belastungen möglichst stabil bleibt, so dass Nachregelungen auf einen entsprechend kleinen Bereich beschränkt werden können.
Der Ultraschallströmungssensor sollte also vorteilhafterweise derart ausgestaltet sein, dass die Strömung das gesamte Signal als Ganzes verschiebt und dessen Form an sich aber stabil bleibt. Eine mögliche Ursache von Änderungen der Signalform ist die Abstrahlcharakteristik der
Ultraschallwandler. Insbesondere weisen die höheren Frequenzen innerhalb der Wandlerbandbreite eine höhere Richtwirkung auf, so dass mit zunehmendem Winkel zur Wandlersymmetrieachse das Spektrum tendenziell niederfrequenter wird. Durch die Strahlverwehung in Folge der zu messenden Strömung tragen, abhängig von der Strö- mungsrate, unterschiedliche Winkelanteile der Abstrahl- und Empfangskeule der Ultraschallwandler mit entsprechend unterschiedlichen Übertragungsfunktionen mehr oder weniger zum Gesamtsignal bei. Selbst wenn berücksichtigt wird, dass sich die Signalform sowohl in der Sende-Empfangsrichtung mit der Strömung als auch in der Sende- Empfangsrichtung entgegen der Strömung verändert, und dies ausgenutzt wird, um die entsprechenden Änderungen zu kompensieren, indem z.B. die Laufzeitdifferenz durch eine Kreuzkorrelation beider Empfangssignale ermittelt wird, ist zu berücksichtigen, dass sich die Signalform in beiden Übertragungen unterschiedlich ändert. Der allgemeine Grund hierfür liegt darin, dass eine streng reziproke Mess-Situation nur bei einem isotropen Übertragungsmedium vorliegt. Durch die Strömung wirkt das Medium aber nicht mehr isotrop, so dass die entsprechende Symmetrie gebrochen wird.
Die Änderung der Signalform kann auch durch eine fokussierende Reflexionsfläche nicht vollständig kompensiert werden, wie anhand eines Ultraschallströmungssensors 1 10 gemäß dem Stand der Technik erläutert werden soll, der in Figur 2 dargestellt ist. Der Ultraschallströmungssensor 1 10 kann beispielsweise ganz oder teilweise in einem Strö- mungsrohr 1 12 eingesetzt werden, welches in Figur 2 lediglich gestrichelt angedeutet ist und welches in einer Hauptströmungsrichtung 1 14 von einem fluiden Medium durchströmt wird. Der Ultraschallströmungssensor 1 10 umfasst einen ersten Ultraschallwandler 1 16 und einen zweiten Ultraschallwandler 1 18 sowie eine gekrümmte Reflexionsfläche 120. Für derartige Ultraschallströmungssensoren 110 kann beispielsweise auf die oben bereits zitierte 10 2006 023 479 A1 verwiesen werden.
Dabei sind in Figur 2 verschiedene Ultraschallwege exemplarisch dargestellt, welche von Ultraschallsignalen zwischen dem ersten Ultraschallwandler 1 16 und dem zweiten Ultraschallwandler 1 18 zurückgelegt werden können. Diese drei verschiedenen Ultraschall- wege sind mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Im Falle einer symmetrischen
Ausrichtung der Ultraschallwandler 1 16, 1 18 relativ zur Reflexionsfläche 120 und ruhendem Medium tragen alle Ultraschallwege A, B, C gleich stark zum Gesamtsignal bei. Bei Strömung dominieren dagegen tendenziell eher die Ultraschallwege B und C, wohingegen A weniger zum Tragen kommt. Der vom ersten Ultraschallwandler 1 16 ausgehende zentrale Hauptanteil B trifft zwar weiterhin auf den zweiten Ultraschallwandler 1 18, aber in einem anderen Winkel, so dass eher die außermittigen Übertragungsfunktionen des zweiten Ultraschallwandlers 1 18 beitragen. Die Amplitude wird zwar stabiler über den Strömungsmessbereich, die Signalform hingegen nicht zwingend. Auch ein Vorhalt durch Einbau der Ultraschallwandler 1 16, 1 18 in einem gewissen Winkel abweichend von der symmetrischen Anordnung ändert nichts daran, dass einige Winkelbereiche, abhängig von der Strömungsrate, mehr und andere weniger zum Gesamtsignal beitragen.
Das Verhalten der Wellenfronten der Ultraschallsignale und der Schallfokussierung ist in den Figuren 3A bis 3D in einer Prinzipdarstellung gezeigt. In Figur 3A ist eine Situation dargestellt, bei der die Krümmung der Reflexionsfläche 120 so gewählt wurde, dass bei ruhender Strömung die Ultraschallwellen von einem Ultraschallwandler 1 16, 1 18 auf den anderen fokussiert werden. Kommt nun eine Strömung hinzu, die ein gewisses Geschwindigkeitsprofil im Strömungsrohr 1 12 aufweist, dann wandert der Fokus nicht nur in Strömungsrichtung, sondern auch mit einer dazu querliegenden Komponente (siehe Figur 3B). In Figur 3D hingegen wurde die Krümmung der Reflexionsfläche 120 so weit re- duziert, dass die Ultraschallsignale bei gleicher Strömungsrate und gleichem Strömungsprofil wie in Figur 3B zumindest auf die Wand des Strömungsrohrs 1 12 fokussiert werden, wenn auch zu weit stromabwärts des zweiten Ultraschallwandlers 1 18. Kommt die Strömung nun wieder zur Ruhe, was in Figur 3C dargestellt ist, dann reicht die Krümmung der Reflexionsfläche 120 nicht mehr zu einer vollständigen Fokussierung aus.
In Figur 4 ist hingegen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallströmungssensors 1 10 dargestellt. Dieser Ultraschallströmungssensor 1 10 ist wieder ganz oder teilweise in einem Strömungsrohr 1 2, welches in Figur 4 wiederum nur gestrichelt angedeutet ist, eingesetzt. Der Ultraschallströmungssensor 1 10 kann dabei auch ganz oder teilweise in eine Rohrwand des Strömungsrohrs 1 10 integriert sein oder die Rohrwand mit einbeziehen. Im Unterschied zu bekannten Ultraschallströmungssensoren umfasst der Ultraschallströmungssensor 1 10 gemäß Figur 1 einen Hohlleiter 122, welcher als kanalartige Reflexions- und/oder Leitvorrichtung ausgestaltet ist. Der Hohlleiter 122 ist eingerichtet, um über eine Vielzahl von Reflexionen die Ultraschallsignale von einem der Ultraschallwandler 1 16, 1 18 zum jeweils anderen zu leiten. Ein Öffnungsquerschnitt des Hohlleiters 122 und ein Abstand zu den Ultraschallwandlern 1 16, 1 18 kann derart ausgelegt werden, dass derjenige Winkelbereich der Ultraschallwandler 1 16, 1 18 erfasst wird, der aufgrund des erwarteten Strömungsmessbereichs zum Gesamtsignal beiträgt und innerhalb dessen sich die Übertragungsfunktion signifikant ändert. Je nach Strömungsrate bzw. Strahlverwehung tragen unterschiedliche Winkelanteile mit unterschiedlichen Anzahlen von Reflexionen zum Gesamtsignal bei. Dementsprechend ist der Ultraschallströmungssensor derart eingerichtet, dass die Ultraschallwellen zwischen den Ultraschallwandlern 1 16, 1 18 auf mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwegen 124 übertragen werden können, wobei diese Ultraschallwege sich hinsichtlich der Anzahl ihrer Reflexionen unterscheiden. In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch zwei Ultraschallwege 124 dargestellt, einer mit 25 Reflexionen und einer mit 17 Reflexionen. Dabei soll keiner der Ultraschallwege 124 gegenüber den anderen Ultraschallwegen 124 erheblich dominieren. Es sollen also mindestens zwei unterschiedliche Ultraschallwege 124 existieren, deren Schallenergieanteile sich um maximal einen Faktor 10 unterscheiden, vorzugsweise um maximal einen Faktor 5 oder weniger. Die Schallenergie dieser Ultraschallwege 124, für die die genannte Bedingung der Schallenergien gilt, vorzugsweise aller dieser Ultraschallwege, für die diese Bedingung gilt, summiert sich vorzugsweise auf mindestens 50% der gesamten übertragenen Schallenergie.
Die Energieanteile dieser verschiedenen Ultraschallwege 124 können beispielsweise experimentell erfasst werden, indem beispielsweise andere Ultraschallwege 124 ausgeblendet werden, beispielsweise durch entsprechende Filter, Masken oder ähnliche Elemente und indem dann die übertragene Energie gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine empirische oder semiempirische Ermittlung der Energieanteile erfolgen. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass aus einer bekannten Abstrahlcharakteristik der Ultraschallwandler 1 16 und/oder 1 18 die auf die jeweiligen Ultraschallwege 124 entfallenden Anteile berechnet oder beispielsweise durch Simulation ermittelt werden.
Insgesamt können die Ultraschallwellen der Ultraschallwege 124 je nach Schallweg konstruktiv oder destruktiv miteinander interferieren, so dass sich unterschiedliche Moden ausbilden können, ähnlich zu einer optischen Multimode-Faser. Insgesamt wirkt diese komplexe Überlagerung unterschiedlicher Anteile der Abstrahl- und Empfangskeulen dahingehend, dass sich der Wandlereinfluss verringert und insgesamt eine stabilere und eindeutigere Laufzeitmessung möglich wird. Die Wände 126 des Hohlleiters 122 wirken somit als Reflexionsflächen 120, an welchen Reflexion, vorzugsweise Mehrfachreflexion, stattfinden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hohlleiter 122 vorzugsweise symmetrisch zu den Ultraschallströmungssensoren 1 10 ausgestaltet. Der Hohlleiter 122 wird von dem fluiden Medium durchströmt.
In Figur 5 ist in einer perspektivischen Darstellung eine mögliche Ausgestaltung des Hohlleiters 122 gezeigt. Der Hohlleiter 122 weißt dabei für eine schräge Einkopplung der Ultraschallsignale, schräg zur Hauptströmungsrichtung 1 14, Öffnungen 128 auf. Diese Öffnungen 128 können beispielsweise in Form von Aussparungen aus Teilöffnungen zum Ein- und Auskoppeln der Ultraschallsignale ausgestaltet sein. Insgesamt kann der Hohlleiter 122 einen kanalartigen, rohrförmigen Aufbau aufweisen.
In Figur 6 ist eine zur Figur 4 alternative Ausgestaltung des Ultraschallströmungssensors 1 10 gezeigt. In diesem Fall sind exemplarisch wiederum zwei Ultraschallwege 124 dar- gestellt, nämlich einer mit 5 Reflexionen und einer mit 9 Reflexionen. Daneben können weitere Ultraschallwege 124 existieren, welche in Figur 6 nicht dargestellt sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 6 können im Bereich der Einkopplung, beispiels- weise im Bereich von Öffnungen 128, Koppelelemente 130 zur Verbesserung der Einkopplung bzw. Auskopplung der Ultraschallsignale vorgesehen sein. Beispielsweise kann es sich bei diesen Koppelelementen 130, wie in Figur 6 gezeigt, um gekrümmte Koppelflächen handeln. Diese bilden unterstützende Reflexionsgeometrien am Ein- und Austritt des Hohlleiters 122, welche, wie in Figur 6 gezeigt, beispielsweise gekrümmt ausgestaltet sein können. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Ausgestaltung mit geraden Koppelflächen als Koppelelemente 130. Durch die gekrümmte Ausgestaltung und Einkopplung wird beispielsweise auch eine wandbündige Montage der Ultraschallwandler 1 16, 1 18 möglich oder erleichtert. In Figur 7 ist eine Konfiguration eines Hohlleiters 122 gezeigt, welche beispielsweise als
Alternative in den Ultraschallströmungssensoren 1 10 gemäß den Figuren 4 oder 6 eingesetzt werden kann. In diesem Fall ist der Ultraschallströmungssensor 1 10 oder der Hohlleiter 122 als Steckfühler 132 ausgestaltet, welcher in das Strömungsrohr 1 12 eingebracht und/oder in diesem angebracht werden kann. Alternativ kann der Hohlleiter 122, also die Reflexions- bzw. Leit-Vorrichtung, Teile des Strömungsrohrs 1 12 sein oder identisch mit diesem ausgestaltet sein. Der Hohlleiter 122 kann insbesondere durchströmt sein von der gesamten Strömung oder von einem gewissen Anteil derselben. Der Hohlleiter 122 kann verwendet werden, um außer dem Ultraschall auch die Strömung des fluiden Mediums aerodynamisch zu leiten und kann beispielsweise rechteckig, drei- eckig, mehreckig, rund, oval in ähnlicher Weise geformt sein.
In Figur 8 ist wiederum ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors 1 10 gezeigt. Dabei sind die Ultraschallwandler 1 16, 1 18 nicht schräg zu einer Achse des Hohlleiters 122 angeordnet, sondern in axialer Symmetrie zum Hohlleiter 122 bzw. des- sen Längserstreckungsachse. Der Hohlleiter 122 kann, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen, ganz oder teilweise in das Strömungsrohr integriert sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise von dem Strömungsrohr verschieden ausgestaltet sein, wie in Figur 8 gezeigt. Wiederum sind in Figur 8 verschiedene Ultraschallwege 124 exemplarisch dargestellt, nämlich ein Ultraschallweg mit zwei Reflexionen, ein Ultraschallweg mit einer Reflexion und ein Ultraschallweg, in welchem keine Reflexion stattfindet. . Der Hohlleiter 122 kann in diesem und in anderen Ausführungsbeispielen an seinen Ein- und Auslassöffnungen gerundet sein und/oder konisch ausgebildet sein und/oder sich konisch oder gerundet verjüngen und dann wieder erweitern. Derartige möglichen Geometrien sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt, welche jeweils Längsschnitte parallel zu einer Hauptströmungsrichtung 1 14 zeigen. Darüber hinaus kann der Hohlleiter 122 ka- nalartig, U-förmig, röhrenförmig, wannenförmig oder rinnenartig ausgebildet sein. So zeigt Figur 1 1 ein Ausführungsbeispiel eines wannenförmig ausgestalteten Hohlleiters 122, welcher in ein Strömungsrohr 1 12 eingebracht ist und über Ein- und Auslassöffnungen 134 für das fluide Medium sowie über Stutzen 136 mit Öffnungen 128 für die Ein- und Auskopplung von Ultraschallsignalen verfügt. Der Hohlleiter 122 ist dabei als Kanal ausgestaltet, welcher insgesamt eine Wannenform aufweist. In Figur 12A ist der Hohlleiter 122 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt, wohingegen Figur 12B einen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 1 14 zeigt, aus welchem die Wanneform klar hervorgeht. In den Figuren 13A bis 13D sind verschiedene alternative Querschnitte des Hohlleiters
122 gezeigt. Die Darstellung gemäß Figur 13A entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12B und zeigt eine Wannenform. Die Ausführungsbeispiele in den Figuren 13B und 13C zeigen U-Formen verschiedener Breite und das Ausführungsbeispiel in Figur 13D zeigt eine Rinnenform.
In den Figuren 14 und 15 sind Ausführungsbeispiele eines Ultraschallströmungssensors 1 10 gezeigt, bei welchem der Hohlleiter 122 zumindest teilweise identisch mit dem Strömungsrohr 1 12 ausgestaltet ist. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere derart erfolgen, dass die Ultraschallwandler 1 16, 1 18 derart angeordnet werden, dass deren Symmetrie- bzw. Hauptabstrahlachsen in Hauptströmungsrichtung 1 14 verlaufen. Die
Wände 126 des Strömungsrohr 12 können optional gekrümmt ausgestaltet sein und, wie in den Figuren 14 und 15 optional gezeigt, gekrümmte Reflexionsflächen 120 bilden. Die Strömung des fluiden Mediums kann, wie in Figur 14 gezeigt, auf einer Seite des Strömungsrohrs 1 12 in dieses eingekoppelt werden oder, wie in Figur 15 gezeigt, auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs 1 12, wobei ein Abschnitt des
Strömungsrohrs zwischen den Ultraschallwandlern 1 16, 1 18 eine Messstrecke 138 bil- det. Alternativ zu der in den Figuren 14 und 15 gezeigten Ausgestaltung, bei welcher der Hohlleiter 122 ganz oder teilweise identisch mit dem Strömungsrohr 1 12 ist, kann der Hohlleiter 122 jedoch auch als separates Rohr innerhalb des äußeren Strömungsrohrs 1 12 angeordnet werden oder lediglich teilweise in das Strömungsrohr 1 12 integriert werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann der als Reflexions- bzw. Leit-Vorrichtung wirkende Hohlleiter 122 auch ganz oder teilweise in einem Bypass 140 des Strömungsrohrs 1 12 angeordnet sein. Dies ist in einem in Figur 16 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Ultraschallströmungssensors 1 10 verwirklicht. Prinzipiell entspricht diese Anordnung der Anordnung gemäß Figur 14, wobei jedoch der Hohlleiter 122 nicht identisch ist mit dem Strömungsrohr 1 12, sondern mit einem Bypass 140. Dieser Bypass ist über Ein- und Auslassöffnungen 134, welche auch ganz oder teilweise in das Strömungsrohr 1 12 hineinragen und eine Strömungsleitung bilden können, mit dem Strömungsrohr 1 12 verbunden.
Der als Reflexions- bzw. Leit-Vorrichtung wirkende Hohlleiter 122 kann auch aus Teilen einer Reflexionsfläche 120, kombiniert mit Teilen des Strömungsrohrs 1 12 bestehen, so dass beispielsweise Reflexionen sowohl an der Reflexionsfläche 120 als auch an der Rohrwandung des Strömungsrohrs 1 12 erfindungsgemäß genutzt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschallströmungssensor (1 10) zur Erfassung einer Strömung eines fluiden Mediums in einem Strömungsrohr (1 12), umfassend mindestens einen ersten Ultraschallwandler (1 16) und mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (1 18), weiterhin umfassend mindestens einen Hohlleiter (122), wobei der Hohlleiter (122) ausgestaltet ist, um Ultraschallwellen zwischen dem mindestens einen ersten Ultraschallwandler (1 16) und dem mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (1 18) durch Reflexion an Wänden (126) des Hohlleiters (122) zu leiten, wobei der Hohlleiter (122) ausgestaltet ist, um von dem fluiden Medium durchströmt zu werden, wobei der Ultraschallströmungssensor (1 10) derart eingerichtet ist, dass sich die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Ultraschallwandler (1 16) und dem zweiten Ultraschallwandler (1 18) auf mindestens zwei Ultraschallwegen (124) ausbreiten können, wobei die Ultraschallwellen auf den unterschiedlichen Ultraschallwegen (124) unterschiedlich oft reflektiert werden, wobei sich Schallenergien der auf den mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwegen (124) übertragenen Ultraschallwellen um nicht mehr als einen Faktor 100 unterscheiden.
2. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schallenergien der über die mindestens zwei verschiedenen Ultraschallwege (124) übertragenen Ultraschallwellen zusammen mindestens 50% einer gesamten zwischen dem ersten Ultraschallwandler (1 16) und dem zweiten Ultraschallwandler (1 18) übertragenen Schallenergie betragen.
3. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallströmungssensor (1 10) derart eingerichtet ist, dass ein erster Teil des fluiden Mediums den Hohlleiter (122) durchströmt und mindestens ein zweiter Teil des fluiden Mediums außerhalb des Hohlleiters strömt.
4. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallströmungssensor (1 10) zumindest teilweise als Steckfühler (132) ausgestaltet ist.
5. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (1 16, 1 18) eingerichtet sind, um Wellenpakete im wesentlichen innerhalb eines Winkelbereichs von Hauptschallkeulen zu emittieren und/oder zu detektieren, wobei der Ultraschaliströmungssensor (1 10) eingerichtet ist, um Schallanteilen innerhalb der Hauptschallkeulen abhängig von einem Emissionswinkel unterschiedliche Übertragungsfunktionen zuzuordnen, wobei der Hohlleiter (122) eingerichtet ist, um die Schallanteile jeweils eines der Ultraschallwandler (1 16, 1 18) auf den jeweils anderen der Ultraschallwandler (1 16, 1 18) zu lenken und umgekehrt und wobei die Schallanteile erfasst werden, die sich hinsichtlich des Emissionswinkels und der Übertragungsfunktion unterscheiden.
6. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallwandler (1 16) und der zweite Ultraschallwandler (1 18) im Wesentlichen symmetrisch zu dem Hohlleiter (122) angeordnet sind.
7. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (122) mindestens einen Kanalabschnitt umfasst, welcher im Wesentlichen parallel zu einer Hauptströmungsrichtung (1 14) des fluiden Mediums ausgerichtet ist.
8. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (122) mindestens zwei seitliche Öffnungen (128) zum Einkop- peln von Ultraschallwellen in den Hohlleiter (122) schräg zu einer Achse des Hohlleiters (122) umfasst.
9. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hohlleiter (122) weiterhin im Bereich der Öffnungen (128) Koppelelemente (130) zum Umlenken von Ultraschallwellen aufweist, insbesondere gekrümmte Koppelflächen.
10. Ultraschaliströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Hohlleiter (122) eingekoppelte Ultraschallwellen auf mindestens einem der Ultraschallwege (124) in dem Hohlleiter (122) mindestens 3 mal, vorzugsweise mindestens 5 mal, an einer oder mehreren Reflexionsflächen reflektiert werden.
1 1 . Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (122) mindestens eine gekrümmte Reflexionsfläche (120) um- fasst.
12. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (1 16, 1 18) in einer als Hohlleiter (122) wirkenden o- der den Hohlleiter (122) umfassenden Messstrecke (138) des Strömungsrohrs (1 12) angeordnet sind, insbesondere in einer geraden Messstrecke (138).
13. Ultraschallströmungssensor (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (122) zumindest teilweise in einem Bypass (140) des Strömungsrohrs (1 12) aufgenommen ist.
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