WO2016066343A1 - Anordnung zum aussenden und/oder empfangen eines ultraschall-nutzsignals und ultraschall-durchflussmessgerät - Google Patents

Anordnung zum aussenden und/oder empfangen eines ultraschall-nutzsignals und ultraschall-durchflussmessgerät Download PDF

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WO2016066343A1
WO2016066343A1 PCT/EP2015/072066 EP2015072066W WO2016066343A1 WO 2016066343 A1 WO2016066343 A1 WO 2016066343A1 EP 2015072066 W EP2015072066 W EP 2015072066W WO 2016066343 A1 WO2016066343 A1 WO 2016066343A1
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WO
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vibration decoupling
decoupling element
vibration
arrangement according
ultrasonic
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/072066
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English (en)
French (fr)
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Oliver Berberig
Andreas Berger
Michal Bezdek
Pierre Ueberschlag
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • 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
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for emitting and / or receiving an ultrasonic useful signal according to the preamble of claim 1 and an ultrasonic flow meter.
  • ultrasound transducers aim for the highest possible ratio of useful signal (acoustic energy via the measuring medium) to interfering signal (acoustic energy via the measuring tube). This ratio is also referred to as signal-to-noise ratio or SNR.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • a large SNR is especially aimed at ultrasonic in-line flow meters (DFZ), which are used in gaseous media, because the coupling of the acoustic energy from the hard solid-state transducer (with high acoustic impedance) into the "soft", gaseous medium ( with low acoustic impedance) is particularly inefficient, ie very little energy can be coupled in.
  • DFZ ultrasonic in-line flow meters
  • EP 2 148 322 A2 discloses a US transducer housing which also has structure-borne noise filter elements. However, the elements are not placed directly on an axially and radially vibrating sound generating plate, but a distance away from it between this plate and a housing suspension on the measuring tube. The peculiarity of these filter elements is that at least two of them are used, and that they have one of the sound generation frequency adapted resonant frequency. The disadvantages of this solution are again identical to the aforementioned with respect to the geometry in EP 1 340 964 A1.
  • the prior art discloses a relatively novel generative manufacturing process, "selective laser melting", which dates back to a dissertation from 1999 (Wilhelm Meiners: Direct Selective Laser Sintering of One-Component Metallic Materials, Dissertation, RWTH Aachen 1999)
  • the method is characterized in that the material to be processed is applied in powder form in a thin layer on a base plate and then by means of The laser radiation is completely remelted locally to form a solid and medium-tight material layer after solidification, then the base plate is lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again, this cycle is repeated until all layers have been remelted thicknesses for all materials are 20-100 ⁇ .
  • the materials used are diverse and include a variety of metals and metal alloys.
  • the data for the guidance of the laser beam are generated from a 3D CAD body by means of software. In order to avoid contamination of the material with oxygen, the process takes place in a protective gas atmosphere with argon or nitrogen.
  • laser melting is characterized by the elimination of tools or molds (informal production), which can reduce the prototyping time or product launch time.
  • tools or molds informal production
  • Absorbing heavy voltages can be used for structure-borne sound waves Longitudinal- and
  • the present invention solves this problem by an arrangement having the features of claim 1.
  • Measuring medium comprises a vibration decoupling element for setting at least one
  • Ultrasonic transducer in a container and the at least one ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic useful signal is, for example, a signal which information about the flow, the speed of sound, the level and / or the type of the measuring medium, up to
  • the vibration decoupling element also has a base body for fixing the
  • the main body can be shaped differently. It may for example be formed plate-shaped. In a particularly preferred embodiment, the main body may be configured as a curved plate. This can be a connection to the container, which makes a sensor nozzle unnecessary.
  • the main body and one Interface for mounting the ultrasonic transducer serve as reference points, between which a special structural element is arranged, which allows a vibration decoupling.
  • the main body has the first interface, at which the ultrasonic transducer to the
  • Container or connected to a sensor nozzle arranged thereon or connected to the container or the sensor nozzle.
  • the container may be in the case of a
  • Level gauges can be a tank.
  • a sensor nozzle may in particular be welded to the measuring tube or the tank. This sensor nozzle serves to anchor the arrangement on the measuring tube.
  • An interface is to be understood in the context of the present invention such that it is a two-dimensional surface on which a mold transition or a
  • a shape transition in this context is the transition from one geometric shape to another, e.g. the transition from a staff to a ball.
  • a component transition is the transition between two individual components which are connected to one another.
  • Typical joining techniques of two components are, for example, screws, gluing or welding, wherein the said interface is the surface with which one component is glued or welded to another. In the case of screwing is the said
  • Interface e.g. the threaded surface.
  • the vibration decoupling element also has a second interface for mounting an ultrasonic transducer. At this second interface, the ultrasonic transducer can be set.
  • the ultrasonic transducer comprises at least one piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer may also include a holder or a holding element, in which the piezoelectric element is arranged. In particular, it may also comprise a radiating element, e.g. with a radiating plate, containing, through which the ultrasonic signals of the piezoelectric element are passed and delivered to the measuring medium.
  • the ultrasonic transducer can also one or more
  • Coupling layers or matching layers include.
  • a preferred coupling layer is a lambda / 4 coupling layer.
  • the vibration decoupling element ensures a damping of the vibrations, which are caused by the structure-borne sound, among other things.
  • the vibration decoupling element can be designed differently geometrically.
  • the vibration damping can be achieved by different geometric features, so that the vibration decoupling element is best in functionally defined.
  • This vibration decoupling or vibration damping of the vibration decoupling element can be defined such that the amplitude of the useful signal transmitted in the medium, ie the actual measuring signal, under reference conditions and in the frequency range of the useful signal by more than 20 dB greater than the amplitude of the transferred over the wall of the container Interference signal, which is caused by structure-borne sound.
  • the aforementioned amplitudes are preferably the so-called peak-to-peak amplitude.
  • the amplitude, preferably the peak-to-peak amplitude, of the useful signal transmitted in the medium, that is to say the actual measurement signal, falls below
  • the useful ultrasonic signals are emitted by a coupling surface directed to the measuring medium.
  • the structure-borne noise signals are emitted in all directions of the solid, which serves to fix the piezoelectric element. This is also a transfer to the container, such as a measuring tube, instead.
  • the said coupling surface may i.a. be associated with a holding device of the ultrasonic transducer.
  • the coupling surface may also be part of a receptacle for the
  • the vibration decoupling member may have an open structure disposed between the second interface for holding the ultrasonic transducer and the base for fixing the vibration decoupling member to the sensor nozzle or the container.
  • This open structure is designed as a support structure and can be functional be understood.
  • the components of the open structure essentially take over the support function of the ultrasonic transducer. In this case, the entirety of the supporting components, that is, for example, only the structural elements 55 as in FIGS. 10-12 or the structural elements 75 with the
  • the open support structure thus does not define a closed cavity.
  • a pollution-protective membrane does not belong to the open support structure. Consequently, there is also no pressure difference between a medium outside and inside the open structure.
  • the interspaces of the open structure may be filled with another material, e.g. Metal powder or the like, to be filled.
  • vibration decoupling element in particular the vibration decoupling element
  • Rotational symmetry on. Two-dimensional objects are rotationally symmetric when rotation about any angle about the rotation axis images the object on itself. This achieves a further improvement of the vibration decoupling.
  • the structures for vibration decoupling shown in the prior art are always constructed as rotationally symmetrical sleeves. This causes a resonance. This resonance is prevented by the rotationally asymmetric structure of the vibration decoupling element.
  • Rotation asymmetry may in this context be e.g. be prepared by individual rotationally symmetric components such. the recording of the ultrasonic transducer are positioned relative to the longitudinal axis of the vibration decoupling element such that the axis of rotation of the respective component is not congruent with the longitudinal axis of the vibration decoupling element. It is also possible to provide or arrange an imbalance or the like at one or more locations of the vibration decoupling element. There are many ways to achieve rotational asymmetry. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the vibration decoupling element can be constructed in particular monolithic.
  • the coupling surface may be formed as part of the vibration decoupling element. In this way, all surfaces in contact with the medium can be realized in one production step. For example, the production process can be interrupted for use of the piezoelectric element.
  • the vibration decoupling element may be formed as a metallic component. It is advantageous at least partially from one of the following materials:
  • Particularly preferred materials for the medium-contacting and thus corrosion-prone surfaces of ultrasound transducers are in particular titanium and its alloys,
  • Nickel alloys and stainless steels Due to its relatively low density of about 4.5 kg / dm 3 and thus significantly lower acoustic impedance compared to stainless steel with about 7.9 kg / dm 3 , titanium is particularly preferred as the material for the structure that transmits the sound waves into the medium.
  • titanium because of its high reactivity with many media, titanium can only be subjected to a high degree of mechanical processing at elevated temperatures and / or elevated pressure. Therefore, a shaping by means of selective laser melting is particularly preferred.
  • the vibration decoupling element can be inserted directly into an opening made in the container, in particular without connection through a sensor nozzle. This is it
  • Vibrationsentkopplungselement corresponding geometrically designed.
  • the vibration decoupling element can have an integrally formed channel for guiding a power and / or signal cable, which channel can run in particular through a subsequently described structural element.
  • the power and / or signal cable is continuously protected over the entire course of the vibration decoupling element from damage.
  • the channel offers protection against medium contact and mechanical damage Damage and prevents contacting problems.
  • a structural element with such a channel can be realized, for example, by the selective laser melting described below, and can be constructed in a very filigree shape and / or in the vibration decoupling element (s) during the sequential construction of the vibration decoupling element
  • the vibration decoupling element advantageously has the second interface for holding an ultrasound transducer and the base body for fixing the vibration decoupling element to the sensor nozzle or container arranged on the container, a vibration-decoupling structural element being arranged between said second interface and the base body.
  • the said structural element is designed as a solid.
  • This solid body has in each case one or more interfaces with other elements of the vibration decoupling element.
  • the thickness of the material at the interface (s) is in particular more than twice smaller than the thickness of the solid.
  • the aforementioned structural element preferably has a largely spherical, ellipsoidal-torus or multi-surface polyhedral shape, since these geometric shapes have proved particularly favorable for sound decoupling. The reason for this is that the sound is distributed and scattered relatively uniformly in all directions in these geometries, whereby a particularly high Schalldissipationsrate can be achieved.
  • a ball has only a single resonant frequency in all directions.
  • the structural element or the structural elements is or are essentially solid according to an embodiment of the invention.
  • the mass of a structural element is at least 80%, for example at least 90%, preferably at least 95%, of the mass of a solid reference body having the same shape as the structural element, which consists of the same material as the structural element.
  • Reference body can come about through possibly existing channels, for example for cable glands.
  • the structural element has a largely spherical, ellipsoidal, toroidal or polyhedral shape.
  • a shape is understood within the meaning of the present invention, a body whose surface by up to 50% of the maximum diameter of the respective structural element of the ideal contour in the sense of a profile shape tolerance of a surface according to DIN EN ISO 1101 (current standard in the version currently of the priority application).
  • the shape deviates from the ideal contour by only 20% of the maximum diameter of the respective structural element.
  • the vibration decoupling element may comprise a membrane which is arranged on the vibration decoupling element, wherein the membrane includes a cavity, in which cavity the open structure is arranged.
  • This membrane is to be regarded as housing and protects the open structure against dirt.
  • the open structure may in particular have connecting elements which connect the receptacle to the main body. It is advantageous if at least one connecting element between the structural element and other elements of the vibration decoupling element is designed as a rod-shaped connecting element, so that this rod or this strut at
  • the rod-shaped connecting element may be formed as a hollow strut.
  • the connecting element can also be designed as a membrane.
  • the length of the rod-shaped connecting elements may preferably be greater than or equal to ⁇ / 8, preferably greater than or equal to ⁇ / 4, of the ultrasonic signal, so as to achieve a particularly effective vibration decoupling Lambda is the wavelength of the ultrasound in the medium.
  • the material may in particular be a powdery material, since a powder has, on the one hand, good vibration-damping properties compared to a solid component and, on the other hand, ensures good pressure stability. Vibration-damping is thereby any material in which
  • the vibration damping material may e.g. consist of a chemically identical material as the material produced by laser melting wall material, wherein the vibration-damping material is present in powder form.
  • the cavity may, for example, be empty, so only filled with air under atmospheric pressure.
  • the membrane which protects the open structure against soiling, may also be of a vibration-decoupling structure, such as a plurality of balls bonded together to form a membrane.
  • the membrane may also be formed as a diaphragm, which is connected only to the measuring tube, but has no contact surface with the vibration decoupling element. The membrane can in particular between the interface of the
  • a preferred thickness for the aforementioned membrane is between 0.2 to 0.7 mm, more preferably between 0.4 and 0.6 mm. This is a good compromise for as little as possible
  • a honeycomb-shaped support structure can be used, which is arranged in the cavity.
  • Such structures are used in lightweight construction e.g. used in furniture making or aircraft model making to achieve a mechanical strength.
  • the honeycombs can be channel-shaped and open at the end.
  • the honeycombs can be in a special case
  • advantageous variant may also be filled with powdery material.
  • the vibration decoupling element can be manufactured by selective laser melting (SLS). Less preferred alternatives are in particular casting processes, which are time-consuming and expensive. By means of the selective laser melting method, in particular vibration decoupling elements with complex geometric structural elements can also be produced in an efficient manner for particularly good vibration decoupling or vibration damping.
  • SLS selective laser melting
  • devices fabricated by selective laser melting often have some surface roughness resulting from sequential layer buildup. This can be recognized by a dull appearance as well as noticeable bumps when running over it with your fingernail. In contrast, have rotary parts i.d.R. over a smooth surface, i. the surface shines, and with the fingernail no bumps are felt.
  • the minimum layer thickness of two successive powder layers is at least approximately 20 ⁇ m. It follows that structures that run in the vertical direction can also be resolved only in this dimension, ie the effective roughness is on this scale. It also follows that the surface quality of SLS components is only about "half as smooth" as that of typical turned parts.
  • the surface roughness can be determined by means of a roughness meter, eg the PCE-RT 1200. Such a surface appears slightly uneven when passing over with the fingernail and also looks slightly uneven visually. The surface produced by laser melting does not shine, but is "dull".
  • the surface produced by laser melting can be post-processed, in particular smoothed. However, depending on the type of post-processing, it is still possible to detect rough areas on particularly delicate or complex parts of the vibration decoupling element.
  • Casting process also limits.
  • thin-walled membranes can be realized by selective laser melting than in casting processes.
  • An inventive ultrasonic flowmeter has a measuring tube and at least two arranged on the measuring tube arrangements according to claim 1.
  • the ultrasonic flowmeter according to the invention can be operated in particular according to the known principle of the transit time difference method. Because ultrasonic transducers both in the
  • Transmission mode can be operated as well as in the receive mode, a single ultrasonic transducer, including the inventive arrangement with the ultrasonic transducer, both the transmission and the reception of ultrasonic useful signals.
  • the flowmeter may have two arrangements according to the invention, of which there is an arrangement in the transmission mode and an arrangement in the reception mode during a so-called ultrasonic shot.
  • These ultrasonic utility signals are measurement signals that are dependent on a process quantity, such as a process variable. the flow or the level.
  • the vibration decoupling element is used in an ultrasonic flowmeter, which determines a flow of gases.
  • the operating frequency of these devices is more than 80 kHz, in particular between 90 and 210 kHz, the height of the operating frequency used depends on the nominal diameter of the measuring tube and the measuring medium.
  • the working frequency range of a flowmeter can thus be chosen broadly and preferably between 20 kHz to 500 kHz, in particular between 40 to 300 kHz amount.
  • the ultrasonic flowmeter is preferably a field device of process measurement technology.
  • the vibration decoupling element may contain a special structural element, which causes due to its geometric configuration, a strong damping of structure-borne sound.
  • two or more of these structural elements are interconnected. Due to the geometric dimensions of the structural element and the small interface area, additional vibration damping can be achieved.
  • the coupling-in surface is preferably set or tilted with respect to the longitudinal axis of the vibration-decoupling element.
  • the longitudinal axis of the vibration decoupling element may preferably run perpendicular to the longitudinal axis of the measuring tube.
  • the coupling-in surface is preferably set at an angle between 20 and 70 ° to this longitudinal axis.
  • the inclination of the coupling-in surface can be achieved by tilting the ultrasonic transducer relative to the vibration-decoupling structural element e.
  • the structural elements can also be provided with the corresponding angle of inclination to the basic body. Tilting is not necessary in this case.
  • the maximum deflections of the coupling surface of the ultrasonic transducer in the transmission mode are about 200 to 800 nm at 100 V transmission voltage and 20 to 80 nm at 10 V.
  • the deflection averaged over the entire radiating surface is approximately 100 to 300 nm at 100 V or 10 to 30 nm at 10 V. This applies to the usual ultrasonic working frequency range.
  • Ultrasonic transducers are in receive mode are a few orders of magnitude smaller.
  • Deflections of the structure-borne sound waves in an arrangement without vibration decoupling element are generally also significantly smaller than the deflections of the respective coupling-in surface.
  • the deflections of the structure-borne sound waves are difficult to quantify.
  • the vibration decoupling element attenuation or attenuation of structure-borne noise relative to the edge regions of the coupling surfaces of the Ultrasonic transducer at least 20 times. In the vast majority of cases even a structure-borne sound attenuation is achieved by more than 100 times.
  • the vibration decoupling element or its preferred embodiments according to the invention has a number of advantages. On the one hand manages the production of an ultrasonic transducer attachment to the measuring tube, which greatly dampens the axial and radial vibrations of the oscillating element or ultrasonic transducer einkoppelnden in the medium so that they can not interfere with structure as a sound in the received signal in appearance.
  • the number of components for a vibration decoupling element to a minimum, in the best case, only one component can be reduced.
  • the component can be realized in different ways, however, it is possible to produce the above-described ultrasonic transducer attachment to the measuring tube by means of selective
  • Laser melting particularly well, with its material properties are optimally adapted to the particular application, in particular the corrosion resistance.
  • Vibrational decoupling elements can be realized in a comparatively short time with geometrical subelements, which are integrated into the overall structure of the vibration decoupling element and which individually individually cause damping of structure-borne noise or vibration decoupling between ultrasound transducer and measuring tube and which can also be combined to improve this decoupling ,
  • the vibration decoupling element can be attached to a sensor nozzle or directly to the measuring tube either without a seal or with a seal.
  • vibration-decoupling attachment for ultrasonic transducers of all kinds can be adapted to any desired tube shapes (tubes with round or rectangular tubes)
  • Fig. 1 is a schematic representation of an ultrasonic flowmeter
  • FIG. 2a model representation of a first structural element according to the definition
  • FIG. 2b model representation of a second structural element according to the definition
  • FIG. 2c shows a model of a third structural element according to the definition
  • Fig. 4 is a sectional view of the arrangement in Fig. 3;
  • FIG. 6 is a perspective view of a second embodiment of a
  • Fig. 7 is a sectional view of the arrangement in Fig. 6;
  • FIG. 8 is a side perspective view of a third embodiment of an arrangement according to the invention.
  • FIG. 9 shows a sectional view of the arrangement in FIG. 8
  • FIG. 10 is a perspective view of the embodiment as in Fig. 8,
  • FIG. 10 1 1 perspective view of the embodiment as in FIG. 10,
  • FIG. 12 a-f Various embodiments of the arrangement in Figure 8 supplemented by a membrane to protect against contamination.
  • FIG. 13 is a side perspective view of a fourth embodiment of a
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
  • the known ultrasonic flowmeters often work according to the transit time difference principle.
  • the transit time difference principle the different transit times of ultrasonic waves, in particular ultrasonic pulses, so-called bursts, are evaluated relative to the flow direction of the liquid.
  • ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with and against the flow. From the transit time difference, the average flow velocity along the ultrasonic path and thus with known flow state and known diameter of the pipe section of the volume flow can be determined.
  • ultrasonic waves are generated or received by means of so-called ultrasonic transducers 1.
  • ultrasonic transducers 1 are firmly mounted in the pipe wall of the respective pipe section.
  • the pipe section is an integral unit of the flowmeter and is referred to as a measuring tube 2.
  • Clamp-on ultrasonic flow measurement systems are also available.
  • the present invention deals with ultrasonic flowmeters in which the
  • Ultrasonic transducers are wetted with a medium-conducting measuring tube.
  • the ultrasonic transducers 1 normally comprise an electromechanical transducer element, e.g. a piezoelectric element. Furthermore, the ultrasonic transducer can be connected via a coupling layer for improved acoustic coupling and via an adaptation layer, e.g. have gaseous media.
  • an electromechanical transducer element e.g. a piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer can be connected via a coupling layer for improved acoustic coupling and via an adaptation layer, e.g. have gaseous media.
  • the measuring tube 2 is usually made of a metal, e.g. from steel.
  • a metal e.g. from steel.
  • Transducer element of a first ultrasonic transducer 1a a part of the ultrasonic signal can be transmitted to the measuring tube 2 and as a structure-borne sound to an electromechanical
  • Transducer element of a second ultrasonic transducer 1 b transmitted. This detects this
  • Ultrasonic transducers should be as good as possible from the measuring tube to be soundproofed.
  • various structures for vibration decoupling elements are presented. From the figures it becomes clear that these geometries are not easily used in industrial production Mass product are manufacturable.
  • each individual element must be prefabricated separately to the specific shape.
  • the prefabricated parts must be connected by complex welding or soldering. Corresponding manufacturing tolerances from single piece to single piece ensure that the production costs are hardly or no longer compatible with a reasonable sales price.
  • a holding element 52 can additionally be formed as a component of the preferably monolithically formed vibration decoupling element.
  • SLS selective laser melting
  • Hybrid construction in which on a flat surface of a conventionally manufactured component another component by means of a generative process, e.g. SLS is put on.
  • another component by means of a generative process, e.g. SLS is put on.
  • the sound-emitting element as a rotating part made of titanium and the vibration decoupling element are made by means of SLS method of another metal.
  • This type of material connection is feasible especially with weldable materials.
  • the material transition between the materials unlike welding or soldering, can be seamless or seam-free or weld-free.
  • FIG. 3 shows a first arrangement 49 according to the invention which is arranged in a sensor stub 58 on a measuring tube 59 and which has an ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducer consists in the present case of a piezoelectric element 53 and a metallic Holding element 52, in which the piezoelectric element 53 is arranged.
  • This holding element 52 has a radiating plate with a coupling surface E, from which the ultrasound signal is emitted to the measuring medium.
  • This radiating plate is connected via a base to a base body which holds the piezoelectric element 53.
  • the holding element 52 is connected to a vibration decoupling element 50, which has a rotationally asymmetric geometry and therefore prevents the formation of strong resonances.
  • This vibration decoupling element 50 therefore has a special geometry.
  • the vibration decoupling element 50 of FIGS. 3-5 has a plurality of structural elements 55 in the form of three interconnected balls. These structural elements 55 are solid or
  • Solid elements each having one or more interfaces with other elements of the vibration decoupling element 50.
  • the thickness of the material at the interface (s) is in particular more than twice smaller than the thickness of the solid.
  • the smallest cross-section or the smallest dimension of this interface (s) may particularly preferably be more than twice smaller than the smallest cross-section or the smallest dimension of an imaginary cuboid, which is bounded on all sides by the respective structural element.
  • the representational representation of Fig. 2 a-c can be used, in which three different variants are shown for structural elements, which fall under the above definition.
  • the dashed box indicates a square as the area of the imaginary cuboid.
  • the vibration decoupling element is preferably monolithic.
  • a receptacle 54 is provided with an interface in which the holding element 52 is arranged.
  • the receptacle 54 aligned such that the ultrasonic signal from the arranged in the receptacle 54 holding member 52 at an angle not equal to 90 ° to the measuring tube axis A, in particular at an angle ⁇ between 20-40 ° to a perpendicular of the measuring tube axis A, is irradiated.
  • This vertical lies in the embodiment of FIGS. 2-4 and in the other
  • Embodiments on the longitudinal axis T of the vibration decoupling element In the present case, the deviation from a rotational symmetry due to the angled position of the recording takes place with respect to the longitudinal axis T. However, a deviation may also occur at another point of the vibration decoupling body. However, a deviation of the rotational symmetry by the tilting of the receptacle relative to the subsequent elements is particularly advantageous.
  • the structural elements 55 are connected by a surface contact with a closing plate or a plate-shaped main body 56. This end plate has a flange
  • Forming with a further interface which is used to determine the
  • Vibratory decoupling element on the measuring tube or on Meßrohrstutzen is used.
  • the flange-like shape can also have a seal which on the
  • Vibration decoupling element 50 is arranged and in the mounted state on the
  • the end plate 56 also has an opening for the passage of electrical connections and signal cable to the ultrasonic transducer or to the piezoelectric element.
  • Fig. 3-5 The geometry shown in Fig. 3-5 is only one of a variety of possibilities for a specific geometric structure of an intermediate element or a
  • Vibrationsentkopplungselements which is arranged between the actual ultrasonic transducer and the Meßrohrstutzen.
  • the holding element 52 can also be designed as a cup with a cylindrical lateral surface and a terminal planar radiating surface. This variant is shown in FIG. In this cup, the piezoelectric element is arranged. The lateral surface is connected to the receptacle 71 and thus to the vibration decoupling element 70
  • the structural elements 55 of FIGS. 3-5 are fixedly connected to the receptacle 54 to form a monolithic component.
  • the main body 56 is presently designed as a plate-shaped base body. However, the basic body can also have other configurations. Since several structural elements are provided, which are only selectively connected to each other, it is an open structure.
  • Fig. 3-5 are spherical structural elements. However, it can also be largely elliptical and / or multi-surface polyhedron-shaped structural elements, which are connected by surface contact with the receptacle 54 and the base body 56.
  • the thickness of the material at the interface (s) is in particular more than twice smaller than the thickness of the solid.
  • the main body 56 is plate-shaped with a central curvature. In the edge regions of the main body, a seal 57 is arranged, which is arranged in the assembled state between the main body 56 and a sensor stub 58.
  • the basic body 56 shown is just one example of a series of further variants for the embodiment of this element of the vibration decoupling element 50.
  • the Basic body be formed dome-shaped. In this case, it is necessary to connect the
  • Vibrationsentkopplungselements no sensor nozzle 58, but only an opening in the measuring tube 59.
  • the structural elements 55 are also connected by surface contact.
  • a structural element 55 and the main body 56 and the receptacle 54 has a channel for a power and / or a signal cable.
  • the structure of the vibration decoupling member 50 is an open structure. This means that between the individual elements, so u.a. There are also free spaces between the individual structural elements of the vibration decoupling element 50. Thus, unlike the previous vibration decoupling elements no
  • the open structure allows a particularly preferred vibration decoupling or structure-borne sound decoupling, since vibrations are transmitted only over a very small area.
  • the open structure may be surrounded by a shutter, a thin baffle or a thin jacket sheet, e.g. is cylindrical or conical. It can, for example, on the base body 56, between the base body 56 and
  • Measuring tube stub 58 be arranged on the measuring tube supports 58 or on the measuring tube 59. Also, this vibration decoupling element 50 can according to the invention by selective
  • Fig. 6-7 shows another embodiment of an inventive arrangement 68 with a vibration decoupling element 60 with asymmetric geometry for arrangement in one
  • Sensor stub which may be configured analogously to the sensor stub 58.
  • Sensor stub which may be configured analogously to the sensor stub 58.
  • an open structure 64 is arranged.
  • This open structure 64 consists of individual struts or strands or rod-shaped connecting elements. These can also be hollow struts.
  • a central straight connecting element 65 serves to support the receptacle 61.
  • a channel 67 is arranged, which extends from the main body 63 via the connecting element 65 to the receptacle 61.
  • bent struts 66 are preferably also provided. Due to the bends of the connecting elements 66 vibrations are additionally advantageously damped.
  • FIGS. 8 and 9 show a vibration decoupling member 70 as a modification of FIG.
  • Embodiment of FIGS. 6 and 7 for arrangement in a sensor nozzle, which may be configured analogously to the sensor stub 58.
  • the vibration decoupling element has a receptacle 71 for fastening an ultrasonic transducer 72. In addition, this indicates
  • Vibrationsentkopplungselement a main body 73, which in this concrete
  • Embodiment has the shape of a curved plate. Between the base body 73 and the receptacle 71, an open structure 74 is arranged. Unlike in Fig. 6 and 7, no central strut is provided in this embodiment.
  • three oscillating bodies 75 are provided.
  • the vibrating bodies 75 are dimensioned structural elements of the vibration decoupling element 70 and analogously to the above-described structural elements.
  • the oscillating bodies 75 of FIGS. 8 and 9 are solid elements which respectively have one or more interfaces with other elements of the vibration decoupling element 70.
  • the thickness of the material at the interface (s) is in particular more than twice smaller than the thickness of the solid.
  • the oscillating bodies 75 are designed spherically in FIGS. 8 and 9. However, they can also assume largely ellipsoidal and / or polyhedral or other geometric shapes. Structure-borne noise is partially transmitted to the oscillating body during operation of the ultrasonic transducers and distributed within this oscillating body 75 in all directions.
  • the oscillating body is fastened via rod-shaped connecting elements 76 on the main body 73 and / or on the receptacle 71. By compression, extension, bending or torsion of the struts 76 takes place an additional compensation of the vibrations.
  • the vibrating body 75 in the operation of the
  • Ultrasonic transducer along a straight connecting line between the receptacle 71 and the base body 73 both in the longitudinal direction, ie parallel to the connecting line, as well as in
  • Vibration damping of different vibration modes takes place.
  • a channel 78 for guiding a signal and / or power cable is also provided in this element. This runs through the
  • Vibration decoupling element tilted or cranked This variant can be advantageously used in particular in ultrasonic flowmeters, because thus the signal path can be set in particular at a preferably angle between 20 and 70 ° to the tube longitudinal axis. The tilting also specifies the angle of incidence of the signal path.
  • FIG. 3-1 1 The open structures of FIG. 3-1 1 and generally all other variants of open structures can be protected by an additional panel or by an additional housing from contamination.
  • additional panel or by an additional housing from contamination.
  • Fig. 12 a-f thin-walled membranes, as shown in Fig. 12 a-f.
  • FIG. 12a shows a thin-walled membrane 80 in the form of a sheet having a substantially uniform wall thickness, which prevents the penetration of particles into the open structure 74.
  • the membrane 80 may have a preferred wall thickness of less than 2 mm and may preferably be made of plastic or more preferably of metal. It connects the base plate 73 with the receptacle 71.
  • the open structure 74 of Fig. 9 is formed as a support structure and can be functionally understood.
  • the components of the open structure essentially take over the support function of the ultrasonic transducer.
  • the whole of the supporting components e.g. only the structural elements 55 as in Fig. 3-5 or the structural elements 75 with the
  • Connecting elements 76 as shown in Fig. 8 - 10 no cavity.
  • the open support structure thus does not define a closed cavity.
  • a pollution-protective membrane does not belong to the open support structure.
  • the interstices of the open structure may be filled with another material.
  • This material may be sound-damping potting material or most preferably a metal powder or metal dust.
  • FIG. 12 b is a further development to FIG. 12 a.
  • two channels 81 are arranged in the base plate 73, which connect the measuring tube interior with the cavity formed by the membrane 80. This serves to equalize the pressure.
  • a bellows or a filter may be located on / in the channels; to protect the aforementioned cavity from contamination and also from clogging.
  • Fig. 12c is also a development of Fig. 12a.
  • the base plate 73 has two stubs 82 with vertical channels, which extend from the underside of the base plate to the edge of the nozzle. These are for filling or emptying the cavity formed by the membrane, e.g. with metal powder, provided. At the same time, they could also be an assembly aid to mount a print.
  • the recesses 83 are variable. These recesses may e.g. also a lot smaller and less in number. They primarily serve to equalize the pressure, while the membrane is provided as a dirt protection of the decoupling elements or the open structure.
  • spheres, ellipsoids, tori and / or polyhedrons have proven particularly suitable for sound decoupling.
  • Fig. 12e is a further development variant of the membrane 80 with a ball ring 84, so a single-row arrangement of juxtaposed balls shown.
  • the balls can be connected to each other. However, this is not absolutely necessary. Also conceivable but less preferred is a ring of ellipsoids or a torus.
  • FIG. 12f shows a further development of FIG. 12e with a second ball ring 85.
  • This ring preferably has a size variance of the ball radii relative to the first ball ring 84.
  • Ball rings 84, 85 may be connected together. However, this is not absolutely necessary.
  • Fig. 13 shows in contrast to Fig. 12 a-f no membrane, but another
  • Embodiment of a vibration decoupling element 86 of an open structure 87 of a plurality of ball rings In contrast to FIGS. 12 af, the ball rings of the structure 87 are the only supporting components which, starting from the base plate 73, support the receptacle 71. The ball rings enclose a cavity. A channel for the signal cable is disposed within the open structure 87.
  • the vibration decoupling elements of FIGS. 3-13 can also be produced according to the invention by selective laser melting. In addition, the membranes shown in FIG. 12 can also be produced in this way.
  • FIGS. 3-10 and 12-13 only vibration decoupling elements are shown which provide an inclination of the ultrasound transducer unit, so-called cranked transducers.

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Abstract

Eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals (U) in ein Messmedium (M), umfassend ein Vibrationsentkopplungselement (10, 30, 50, 60, 70) zum Festlegen mindestens eines Ultraschallwandlers (51, 62, 72) in einem Behältnis, wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) oder der Ultraschallwandler (51, 62, 72) über eine Einkopplungsfläche (E) Ultraschall-Nutzsignale (U) an ein Messmedium (M) abgibt und wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) eine Schnittstelle aufweist, an welcher der Ultraschallwandler (51, 62, 72) an das Behältnis, insbesondere an ein Messrohr oder einen Tank, oder an einen am Behältnis angebrachten Sensorstutzen (58), anschließbar ist, welches Behältnis teilweise oder vollständig mit Messmedium (M) gefüllt ist; und wobei die Amplitude des im Messmedium (M) übertragenen Nutzsignals (U) unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals (U) um mehr als 20 dB grösser ausfällt als die Amplitude des über die Schnittstelle und über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Vibrationsentkopplungselements rotationsassymetrisch ausgebildet ist oder dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 70) eine Aufnahme (54, 71 ) zur Halterung eines Ultraschallwandlers (51, 72) aufweist und einen Grundkörper (56, 73) zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements (50, 70) an dem Sensorstutzen(58) oder dem Behältnis aufweist, und wobei zwischen der Aufnahme (54, 71 ) und dem Grundkörper (63, 73) eine offene Stützstruktur (64 74) angeordnet ist.

Description

Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals und
Ultraschall-Durchflussmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ultraschall- Durchflussm essgerät.
Es ist bekannt, dass bei Ultraschall-Transducern ein möglichst hohes Verhältnis aus Nutzsignal (akustische Energie über das Messmedium) zu Störsignal (akustische Energie über das Messrohr) angestrebt wird. Dieses Verhältnis wird auch als Signal-to-Noise-Ratio oder SNR bezeichnet. Ein großes SNR wird insbesondere bei Ultraschall-Inline-Durchflusszählern (DFZ) angestrebt, die bei gasförmigen Medien zum Einsatz kommen, weil hierbei die Einkopplung der akustischen Energie vom harten Festkörper-Transducer (mit hoher akustischer Impedanz) ins „weiche", gasförmige Medium (mit niedriger akustischer Impedanz) besonders ineffizient ist, also besonders wenig Energie eingekoppelt werden kann. Um die geringe akustische Energie am gegenüberliegenden Transducer sicher empfangen und auswerten zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass Störsignale, die z.B. über die Messrohrwände gelaufen sind, vom gegenüberliegenden Transducer fernzuhalten. Hierfür ist ein hohes SNR maßgeblich. Aus der Literatur und Patentschriften ist eine Vielzahl an Lösungsansätzen für diese Aufgabenstellung bekannt. Hierzu zählt z.B. der Vorschlag in DE 197 23 488 A1 , in dem der US- Transducer am Umfang mit mehreren Gumminoppen versehen wird, die es dann ermöglichen, den US-Transducer in einer Vertiefung mit umlaufenden Nut vom Messrohr akustisch entkoppelt einzuklippen. Zur Vermeidung eines akustischen Kurzschlusses zw. US-Transducer und Messrohrvertiefung wird vorgeschlagen, den verbleibenden Ringspalt mit „dauerelastischem, geschlossenporigem PU-Schaum" aufzufüllen. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass es im Laufe der Betriebszeit des US-DFZ zu Veränderungen an diesem PU-Schaum kommen kann, die dazu führen, dass er entweder seine elastischen Eigenschaften verliert oder sich zersetzt. In beiden Fällen würde die akustisch entkoppelnde Wirkung verloren gehen und dazu führen, dass die Körperschallanteile immer stärker zunehmen und schließlich eine Auswertung der Nutzsignals unterbinden würden.
In der EP 1 340 964 A1 wird eine Geometrie vorgeschlagen, die radiale Schwingungen einer Schallerzeugerplatte über verschachtelt angeordnete Ringe und Hülsen, sogenannte Filterelemente, in eine Torsionsauslenkung übersetzt und dadurch die Schalleinkopplung in die Gehäuseaufhängung minimiert. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass das Transducergehäuse aufgrund der vielen Filterelemente aus einer Vielzahl an Bauteilen besteht, die alle dauerhaft dichtend miteinander verbunden werden müssen. Darüber hinaus funktioniert die Entkopplung nur gegenüber der axial zurückversetzten Gehäuseaufhängung: sobald der Ringspalt zwischen Schallerzeugerplatte und Transducerbohrung überbrückt wird, sei es durch Kondensat oder durch Festkörperablagerungen, werden die radialen Schwingungsanteile ungedämpft auf das Messrohr übertragen, und geht damit eine sichere Auswertung des Nutzsignals verloren.
Die EP 2 148 322 A2 offenbart ein US-Transducergehäuse, das ebenfalls Körperschallfilterelemente aufweist. Die Elemente sind jedoch nicht direkt an einer axial und radial schwingenden Schallerzeugungsplatte, sondern ein Stück davon entfernt zwischen dieser Platte und einer Gehäuseaufhängung am Messrohr platziert. Die Besonderheit dieser Filterelemente liegt darin, dass mindestens zwei davon zum Einsatz kommen, und dass sie eine der Schallerzeugungsfrequenz angepasste Resonanzfrequenz aufweisen. Die Nachteile dieser Lösung sind wieder identisch zu den vorgenannten bezüglich der Geometrie in der EP 1 340 964 A1.
Aus dem Stand der Technik ist ein relativ neuartiges generatives Fertigungsverfahren,„selektives Laserschmelzen", bekannt, welches auf eine Dissertation aus dem Jahre 1999 zurückgeht (Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe, Dissertation, RWTH Aachen 1999). Es wurde anschließend maßgeblich am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen in Kooperation mit Dr. Matthias Fockele und Dr. Dieter Schwarze weiterentwickelt. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht und dann mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen wird, sodass sich nach der Erstarrung eine feste und mediumsdichte Materialschicht bildet. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Typische Schichtstärken für alle Materialien sind 20 - 100 μιη. Dabei verwendete Werkstoffe sind vielfältig und umfassen eine Vielzahl von Metallen und Metalllegierungen. Die Daten für die Führung des Laserstrahls werden aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software erzeugt. Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre mit Argon oder Stickstoff statt.
Gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren wie z.B. Gussverfahren zeichnet sich das Laserschmelzen dadurch aus, dass Werkzeuge oder Formen entfallen (formlose Fertigung) und dadurch die Prototypenbauzeit oder Produkteinführungszeit reduziert werden kann. Gegenüber dem CNC-Bearbeiten von Halbzeugen besteht der Vorteil einer immensen Geometriefreiheit, die Bauteilformen ermöglicht, die mit konventionellen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Hierzu zählen beispielsweise Hinterschnitte oder Trennwände im 20 μιη- Dickenbereich.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Vibrationsentkopplungselement bereitzustellen, welches in kompakter Bauweise ausgestaltet ist, eine wirksame Vibrationsentkopplung des Körperschalls zu einem Behältnis hin ermöglicht und kostengünstig fertigbar ist. Unter Körperschall sind diejenigen vom Piezoelement ausgesandten Schallanteile zu verstehen, die sich ausschließlich in Festkörpern ausbreiten. Da elastische Festkörper im Gegensatz zu einem Fluid neben Normalspannung auch
Schwerspannungen aufnehmen können lassen sich bei Körperschallwellen Longitudinal- und
Transversalwellen unterscheiden. Beide Wellenarten führen beim Ultraschall-Empfangstransducer zu einer Anregung, die sich im auszuwertenden elektrischen Empfangssignal wiederfindet. Da diese Anregungen in keinem Bezug zur Messgröße stehen sind sie störend, insbesondere weil sie die Auswertung des Nutzsignals hinsichtlich der Messgröße erschweren. Aus diesem Grund wird in US- Durchflussmessgeräten und US-Füllstandssensoren eine maximale Körperschallentkopplung angestrebt.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals in ein
Messmedium umfasst ein Vibrationsentkopplungselement zum Festlegen mindestens eines
Ultraschallwandlers in einem Behältnis und den zumindest einen Ultraschallwandler. Ein Ultraschall- Nutzsignal ist dabei beispielsweise ein Signal welches Informationen über den Durchfluss, die Schallgeschwindigkeit, den Füllstand und/oder die Art des Messmediums, bis hin zu
Einzelkonzentrationen einer Komponente in einem Stoffgemisch, enthält. Aus dem Ultraschall- Nutzsignal kann z.B. eine Laufzeitdifferenz und/oder eine Laufzeit im jeweiligen Messmedium ermittelt werden. Das Vibrationsentkopplungselement weist zudem einen Grundkörper zur Festlegung des
Vibrationsentkopplungselements an dem an dem Behältnis angeordneten Sensorstutzen oder direkt an der Behältniswand auf. Der Grundkörper kann unterschiedlich ausgeformt sein. Er kann beispielsweise plattenformig ausgebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann der Grundkörper als eine gewölbte Platte ausgestaltet sein. Dadurch kann ein Anschluss an das Behältnis erfolgen, der einen Sensorstutzen überflüssig macht. Der Grundkörper und eine Schnittstelle zur Halterung des Ultraschallwandlers dienen als Bezugspunkte, zwischen denen ein spezielles Strukturelement angeordnet ist, welches eine Vibrationsentkopplung ermöglicht.
Der Grundkörper weist die erste Schnittstelle auf, an welcher der Ultraschallwandler an das
Behältnis oder an einen daran angeordneten Sensorstutzen anschließbar bzw. mit dem Behältnis oder dem Sensorstutzen verbunden ist. Bei dem Behältnis kann es sich im Fall eines
Durchflussmessgerätes um ein Messrohr handeln. Bei Füllstandsmessgeräten kann es sich um einen Tank handeln. Ein Sensorstutzen kann insbesondere an das Messrohr oder den Tank angeschweißt sein. Dieser Sensorstutzen dient der Verankerung der Anordnung am Messrohr.
Eine Schnittstelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart zu verstehen, dass es sich dabei um eine zweidimensionale Fläche handelt an welcher ein Formenübergang oder ein
Bauteilübergang erfolgt. Ein Formenübergang ist in diesem Zusammenhang der Übergang von einer geometrischen Form in eine andere, so z.B. der Übergang von einem Stab zu einer Kugel. Ein Bauteilübergang ist demgegenüber der Übergang zweier Einzelbauteile, welche miteinander verbunden sind. Übliche Verbindungstechniken zweier Bauteile sind beispielsweise Schrauben, Kleben oder Schweißen, wobei die besagte Schnittstelle die Fläche ist, mit welcher ein Bauteil mit einem anderen verklebt oder verschweißt wird. Im Falle des Verschraubens ist die besagte
Schnittstelle so z.B. die Gewindefläche.
Das Vibrationsentkopplungselement weist zudem eine zweite Schnittstelle zur Halterung eines Ultraschallwandlers auf. An dieser zweiten Schnittstelle kann der Ultraschallwandler festgelegt werden. Der Ultraschallwandler umfasst zumindest ein Piezoelement. Der Ultraschallwandler kann allerdings auch zusätzlich einen Halter bzw. ein Halteelement umfassen, in welchem das Piezoelement angeordnet ist. Er kann insbesondere auch ein Abstrahlelement, z.B. mit einer Abstrahlplatte, enthalten, durch welches die Ultraschallsignale des Piezoelements durchgeleitet und an das Messmedium abgegeben werden. Der Ultraschallwandler kann zudem eine oder mehrere
Koppelschichten oder Anpassungsschichten umfassen. Eine bevorzugte Koppelschicht ist dabei eine lambda/4-Koppelschicht.
Das Vibrationsentkopplungselement sorgt für eine Dämpfung der Vibrationen, welche u.a. durch den Körperschall hervorgerufen werden. Das Vibrationsentkopplungselement kann unterschiedlich geometrisch ausgestaltet sein. Die Vibrationsdämpfung kann durch unterschiedliche geometrische Merkmale erreicht werden, so dass sich das Vibrationsentkopplungselement am Besten in funktionaler Weise definieren lässt. Diese Vibrationsentkopplung bzw. Vibrationsdämpfung des Vibrationsentkopplungselements kann derart definiert werden, dass die Amplitude des im Medium übertragenen Nutzsignals, also das eigentliche Messsignal, unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals um mehr als 20 dB grösser ausfällt als die Amplitude des über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals, welches durch Körperschall hervorgerufen wird. Bei den vorgenannten Amplituden handelt es sich vorzugsweise um die sogenannte Peak-to- Peak Amplitude.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante fällt die Amplitude, vorzugsweise die Peak-to-Peak Amplitude, des im Medium übertragenen Nutzsignals, also das eigentliche Messsignal, unter
Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals um mehr als 30 dB insbesondere mehr als 40 dB grösser aus als die Amplitude des über die erste Schnittstelle und des über die Wand des Behältnisses übergetragenen Störsignals welches durch Körperschall hervorgerufen wird. Eine Vibrationsentkopplung von 30 dB, ja sogar 40 dB, kann mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erreicht werden.
Die besagten Referenzbedingungen sind Folgende: Temperatur = 20°C, Druck im Behältnis, z.B. im Messrohr oder Tank bzw. an der Einkopplungsfläche = 1 bar absolut, das Referenz-Messmedium ist Luft für Messgeräte, z.B. Durchflussmessgeräte, welche als Gasgeräte ausgelegt sind oder Wasser für Messgeräte die als Flüssiggeräte ausgelegt sind. Unter Referenzbedingungen liegt kein
Durchfluss des Messmediums im Messrohr vor.
Die Ultraschall-Nutzsignale werden durch eine Einkopplungsfläche gerichtet an das Messmedium abgegeben. Demgegenüber werden die Körperschall-Störsignale in alle Richtungen des Festkörpers ausgesandt, der zur Festlegung des Piezoelements dient. Damit findet auch eine Übertragung auf das Behältnis, beispielsweise auf ein Messrohr, statt.
Die besagte Einkopplungsfläche kann u.a. einer Haltevorrichtung des Ultraschallwandlers zugeordnet sein. Alternativ kann die Einkopplungsfläche auch Teil einer Aufnahme für den
Ultraschallwandler sein, welche in diesem Fall dem Vibrationsentkopplungselement zugeordnet ist.
Das Vibrationsentkopplungselement kann eine offene Struktur aufweisen, welche zwischen der zweitenSchnittstelle zur Halterung bzw. Festlegung des Ultraschallwandlers und dem Grundkörper zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements an dem Sensorstutzen oder dem Behältnis angeordnet ist. Diese offene Struktur ist als eine Stützstruktur ausgebildet und kann funktional verstanden werden. Die Bestandteile der offenen Struktur übernehmen im Wesentlichen die Stützfunktion des Ultraschallwandlers. Dabei bildet die Gesamtheit der stützenden Bestandteile, also z.B. nur die Strukturelemente 55 wie in Fig. 10-12 oder die Strukturelemente 75 mit den
Verbindungselementen 76 wie in Fig. 13-15, keinen Hohlraum aus. Die offene Stützstruktur definiert somit keinen geschlossenen Hohlraum. Eine vor Verschmutzung schützende Membran gehört dabei nicht zur offenen Stützstruktur. Es ist folglich auch keine Druckdifferenz zwischen einem Medium außerhalb und innerhalb der offenen Struktur vorhanden.
Sofern die offene Struktur von einer Hohlmembran umgeben ist, so können die Zwischenräume der offenen Struktur mit einem anderen Material, z.B. Metallpulver oder dergleichen, gefüllt sein.
Zusätzlich oder alternativ weist das Vibrationsentkopplungselement, insbesondere die
vorbeschriebene offene Stützstruktur bzw. die Gesamtheit aus der Verbindungselemente und/oder Strukturentkopplungselemente erfindungsgemäß eine Rotationsasymmetrie, also keine
Rotationssymmetrie, auf. Zweidimensionale Objekte sind rotationssymmetrisch, wenn eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um die Rotationsachse das Objekt auf sich selbst abbildet. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Vibrationsentkopplung erreicht.
Die im Stand der Technik dargestellten Strukturen zur Vibrationsentkopplung sind stets als rotationssymmetrische Hülsen aufgebaut. Dies bewirkt eine Resonanz. Diese Resonanz wird durch den rotationsasymmetrischen Aufbau des Vibrationsentkopplungselements verhindert.
Rotationsasymmetrie kann in diesem Zusammenhang z.B. hergestellt werden, indem einzelne rotationssymmetrische Bauteile so z.B. die Aufnahme des Ultraschallwandlers derart gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements positioniert werden, dass die Rotationsachse des jeweiligen Bauteils nicht deckungsgleich mit der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements liegt. Es ist auch möglich an einer oder mehreren Stellen des Vibrationsentkopplungselements eine Unwucht oder dergleichen vorzusehen oder anzuordnen. Es gibt vielfältige Möglichkeiten eine Rotationsasymmetrie zu erreichen. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Vibrationsentkopplungselement kann insbesondere monolithisch aufgebaut sein.
Korrosionserscheinungen an etwaigen Nahtstellen oder ein Ablösen einzelner geometrischer Elemente durch Ermüdungserscheinungen an Verbindungsstellen werden vorteilhaft vermieden. Die Einkopplungsfläche kann als Teil des Vibrationsentkopplungselements ausgebildet sein. Auf diese Weise sind alle mediumsberührenden Flächen in einem Herstellungsschritt realisierbar. Zum Einsatz des Piezoelements kann z.B. der Herstellungsprozess unterbrochen werden.
Das Vibrationsentkopplungselement kann als ein metallisches Bauteil ausgebildet sein. Es besteht vorteilhaft zumindest bereichsweise aus einem der folgenden Materialien:
a) Stahl, insbesondere Edelstahl oder Werkzeugstahl;
b) Titan oder einer Titanlegierung;
c) einer Nickelbasislegierung,
d) Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
e) einer Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierung,
f) einer Bronzelegierung,
g) einer Edelmetalllegierung,
h) einer Kupferlegierungen
Besonders bevorzugte Materialien für die mediumsberührenden und damit korrosionsanfälligen Flächen von Ultraschall-Transducern sind insbesondere Titan und seine Legierungen,
Nickellegierungen sowie Edelstähle. Aufgrund seiner relativ geringen Dichte von ca. 4.5 kg/dm3 und damit deutlich geringeren akustischen Impedanz gegenüber Edelstahl mit ca. 7.9 kg/dm3 ist Titan als Material für die Struktur, die die Schallwellen ins Medium überträgt besonders bevorzugt.
Andererseits lässt sich Titan aufgrund seiner hohen Reaktivität mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen und/oder erhöhtem Druck nur sehr aufwändig mechanisch bearbeiten. Deshalb bietet sich eine Formgebung mittels selektivem Laserschmelzen besonders bevorzugt an.
Das Vibrationsentkopplungselement ist direkt in eine im Behältnis eingebrachte Öffnung, insbesondere ohne Verbindung durch einen Sensorstutzen, einsetzbar. Hierfür ist das
Vibrationsentkopplungselement entsprechend geometrisch ausgestaltet. Es sind dabei
verschiedenste Geometrievarianten vorstellbar. Insbesondere weist das
Verbindungsentkopplungselement zusammen mit der Außenwandung des Behältnisses eine geschlossene Außenkontur auf.
Das Vibrationsentkopplungselement kann einen integral ausgebildeten Kanal zur Führung eines Strom- und/oder Signalkabels aufweisen, welcher Kanal insbesondere durch ein nachfolgend beschriebenes Strukturelement verlaufen kann. Dadurch wird das Strom- und/oder Signalkabel durchgängig über den gesamten Verlauf des Vibrationsentkopplungselements vor Schädigung geschützt. Der Kanal bietet insbesondere einen Schutz vor Mediumskontakt sowie mechanischer Schädigung und verhindert Kontaktierungsprobleme. Ein Strukturelement mit einem derartigen Kanal kann beispielsweise durch das nachfolgend beschriebene selektive Laserschmelzen realisiert werden und kann beim sequentiellen Aufbau des Vibrationsentkopplungs-elements in sehr filigraner Form und/oder in das oder die Vibrationsentkopplungselemente integriert mit aufgebaut werden
Das Vibrationsentkopplungselement weist vorteilhaft die zweite Schnittstelle zur Halterung eines Ultraschallwandlers auf und den Grundkörper zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements an dem am Behältnis angeordneten Sensorstutzen oder dem Behältnis, wobei zwischen der besagten zweiten Schnittstelle und dem Grundkörper ein vibrationsentkoppelndes Strukturelement angeordnet ist.
Das besagte Strukturelement ist als Festkörper ausgebildet. Dieser Festkörper weist jeweils eine oder mehrere Schnittstellen mit anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements auf. Die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) ist insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers. Das vorgenannte Strukturelement weist vorzugsweise eine weitestgehend kugel-, ellipsoid- torus- oder vielflächig polyederförmige Gestalt auf, da sich diese geometrischen Formen besonders günstig zur Schallentkopplung erwiesen haben. Der Grund hierfür liegt darin begründet dass der Schall in diesen Geometrien relativ gleichmäßig in alle Richtungen verteilt und gestreut wird, wodurch eine besonders hohe Schalldissipationsrate erzielt werden kann. Zudem weist eine Kugel lediglich eine einzige Resonanzfrequenz in alle Richtungen auf.
Das Strukturelement bzw. die Strukturelemente ist bzw. sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Wesentlichen massiv. Insbesondere, beträgt die Masse eines Strukturelements mindestens 80%, beispielsweise mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% der Masse eines mit dem Strukturelement formgleichen massiven Referenzkörpers beträgt, der aus dem gleichen Werkstoff wie das Strukturelement besteht. Die Massenabweichungen gegenüber dem
Referenzkörper, können durch ggf. vorhandene Kanäle, beispielsweise für Kabeldurchführungen zustande kommen. Um Umgehungslösungen von Strukturelementen vorzubeugen, welche in kleinen Teilbereichen der Oberflächen abgeplattete Bereiche aufweisten, weist das Strukturelement eine weitestgehend kugel- , ellipsoid-, torus- oder vielflächig polyederförmige Gestalt auf. Unter einer solchen Gestalt versteht man im Sinne der vorliegenden Erfindung einen Körper auf, dessen Oberfläche um bis zu 50% des maximalen Durchmessers des jeweiligen Strukturelements von der idealen Kontur im Sinne einer Profilformtoleranz einer Fläche nach DIN EN ISO 1101 (aktuelle Norm in der Fassung z.Z. der prioritätsbegründenden Erstanmeldung) abweichen darf. Vorzugsweise weicht die Gestalt nur um 20% des maximalen Durchmessers des jeweiligen Strukturelements von der idealen Kontur ab. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Vibrationsentkopplungselement eine Membran aufweisen, welche am Vibrationsentkopplungselement angeordnet ist, wobei die Membran einen Hohlraum einschließt, in welchem Hohlraum die offene Struktur angeordnet ist. Diese Membran ist als Gehäuse anzusehen und schützt die offene Struktur vor Verschmutzungen.
Die offene Struktur kann insbesondere Verbindungselemente aufweisen, welche die Aufnahme mit dem Grundkörper verbinden. Es ist von Vorteil, wenn zumindest ein Verbindungselement zwischen dem Strukturelement und anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements als stabformiges Verbindungselement ausgebildet ist, so dass dieser Stab bzw. diese Strebe bei
Körperschallschwingungen gestaucht, gestreckt, gebogen oder tordiert werden und dadurch einen zusätzlichen Beitrag zur Vibrationsentkopplung leisten. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann das stabförmige Verbindungselement als Hohlstrebe ausgebildet sein.
Alternativ kann das Verbindungselement auch als Membran ausgebildet sein.
Die Länge der stabförmigen Verbindungselemente kann vorzugsweise größer oder gleich lambda/8 sein, vorzugsweise größer oder gleich lambda/4, des Ultraschallsignals, um so eine besonders effektive Vibrationsentkopplung zu erreichen Lambda ist dabei die Wellenlänge des Ultraschalls im Medium.
Es ist von zudem Vorteil, wenn der Hohlraum welcher durch die Membran begrenzt wird und Freiräume zwischen den Verbindungselementen der offenen Struktur mit einem
vibrationsdämpfenden Material gefüllt sind. Dadurch wird eine höhere Druckstabilität erreicht. Das Material kann insbesondere ein pulverförmiges Material sein, da ein Pulver gegenüber einem Massivbauteil einerseits gute schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzt und andererseits für eine gute Druckstabilität sorgt.Vibrationsdämpfend ist dabei jedes Material in welchem der
Körperschall stärker bedämpft wird als in dem Wandmaterials bzw. dem Massivmaterial des Vibrationsentkopplungselements. Das vibrationsdämpfende Material kann z.B. aus einem chemischidentischen Material bestehen wie das über Laserschmelzen hergestellte Wandmaterial, wobei das vibrationsdämpfende Material jedoch in Pulverform vorliegt.
Die Befüllung mit vibrationsdämpfenden Material ist jedoch nur eine bevorzugte
Ausführungsvariante. Der Hohlraum kann z.B. auch leer, also nur mit Luft unter Normaldruck gefüllt sein. Die Membran, welche die offene Struktur gegen Verschmutzungen schützt, kann ebenfalls aus einer vibrationsentkoppelnden Struktur, so z.B. einer Vielzahl miteinander zu einer Membran verbundenen Kugeln sein. Alternativ kann die Membran auch als eine Blende ausgebildet sein, die lediglich mit dem Messrohr verbunden ist, jedoch keine Kontaktfläche mit dem Vibrationsentkopplungselement aufweist. Die Membran kann insbesondere zwischen der Schnittstelle des
Vibrationsentkopplungselements mit dem Messrohr und der zweiten Schnittstelle für den
Ultraschallwandler angeordnet sein.
Eine bevorzugte Dicke für die vorgenannte Membran liegt zwischen 0,2 bis 0,7 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 mm. Dies ist ein guter Kompromiss um möglichst wenig
Körperschall zu übertragen und andererseits damit die Membran auch hinreichend robust gegenüber dem Messmedium und Prozessdruck ausgestaltet ist. Insbesondere Gase mit mitgerissenen Partikeln können bei geringeren Membrandicken die Membran schädigen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine wabenförmige Stützstruktur genutzt werden, welche im Hohlraum angeordnet ist. Derartige Strukturen werden im Leichtbau z.B. im Möbelbau oder im Flugzeugmodellbau genutzt um eine mechanische Festigkeit zu erzielen. Die Waben können kanalartig ausgeformt und endständig offen sein. Die Waben können in einer besonders
vorteilhaften Variante auch mit pulverförmigen Material gefüllt sein.
Das Vibrationsentkopplungselement kann durch selektives Laserschmelzen (SLS) hergestellt werden. Weniger bevorzugte Alternativen sind insbesondere Gussverfahren, welche zeit- und kostenintensiv sind. Durch das Verfahren des selektiven Laserschmelzens lassen sich insbesondere auch Vibrationsentkopplungselemente mit komplexen geometrischen Strukturelementen für eine besonders gute Vibrationsentkopplung oder Vibrationsdämpfung in effizienter Weise herstellen.
Nach ihrer Herstellung weisen mittels selektivem Laserschmelzen hergestellteBauteile oftmals eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf, die vom sequentiellen Schichtaufbau herrührt. Dies lässt sich sowohl durch ein mattes Aussehen als auch durch spürbare Unebenheiten beim Drüberfahren mit dem Fingernagel erkennen. Demgegenüber verfügen Drehteile i.d.R. über eine glatte Oberfläche, d.h. die Oberfläche glänzt, und mit dem Fingernagel sind keine Unebenheiten zu spüren.
Beim selektiven Laserschmelzen (SLS) beträgt die minimale Schichtdicke von zwei aufeinander folgenden Pulverschichten minimal ca. 20 μιη. Daraus folgt, dass Strukturen, die in vertikaler Richtung verlaufen, sich ebenfalls nur in dieser Dimension auflösen lassen, d.h. die effektive Rauheit bewegt sich in dieser Größenordnung. Daraus folgt auch, dass die Oberflächengüte von SLS- Bauteilen nur ca. "halb so glatt" ist wie die von typischen Drehteilen. Die mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra entlang einer Richtung auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen durch selektives Laserschmelzen hergestellten Vibrationsentkopplungselements beträgt typischerweise mehr als Ra=3,2 μιη. Die Oberflächenrauhigkeit kann mittels eines Rauheitsmessers, z.B. dem PCE-RT 1200, ermittelt werden. Eine solche Oberfläche erscheint beim Darüberfahren mit dem Fingernagel als leicht uneben und wirkt auch optisch leicht uneben. Die durch Laserschmelzen hergestellte Oberfläche glänzt somit nicht, sondern ist "stumpf"..
Die durch Laserschmelzen hergestellte Oberfläche kann nachbearbeitet, insbesondere geglättet werden. Allerdings kann man je nach Art der Nachbearbeitung an besonders filigranen oder komplexen Stellen des Vibrationsentkopplungselements nach wie vor rauhe Bereiche erkennen.
Lediglich durch Gussverfahren, insbesondere durch zeit- und kostenintensive Feinguss- oder Kreativgussverfahren, können einzelne der nachfolgend beschriebenen und in den Figuren dargestellten Vibrationsentkopplungselemente hergestellt werden. Allerdings unterliegen
Gießverfahren auch gewissen Grenzen. So sind durch selektives Laserschmelzen dünnwandigere Membranen realisierbar als bei Gießverfahren.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät weist ein Messrohr und zumindest zwei am Messrohr angeordneten Anordnungen gemäß Anspruch 1 auf.
Das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät kann insbesondere nach dem bekannten Prinzip der Laufzeitdifferenzmethode betrieben werden. Da Ultraschallwandler sowohl im
Sendemodus als auch im Empfangsmodus betrieben werden können, kann ein einzelner Ultraschall- Transducer, also auch die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Ultraschallwandler, sowohl dem Aussenden als auch dem Empfangen von Ultraschallnutzsignalen dienen. Insbesondere kann das Durchflussmessgerät zwei erfindungsgemäße Anordnungen aufweisen, von denen sich während eines sogenannten Ultraschall-Schusses eine Anordnung im Sendebetrieb und eine Anordnung im Empfangsbetrieb befindet. Diese Ultraschallnutzsignale sind Messsignale, welche abhängig sind von einer Prozessgröße, wie z.B. dem Durchfluss oder dem Füllstand.
Besonders bevorzugt wird das Vibrationsentkopplungselement in einem Ultraschall- Durchflussmessgerät eingesetzt, welches einen Durchfluss von Gasen ermittelt. Die Arbeitsfrequenz dieser Geräte liegt bei mehr als 80 kHz, insbesondere zwischen 90 und 210 kHz, wobei die Höhe der verwendeten Arbeitsfrequenz von der Nennweite des Messrohres und dem Messmedium abhängt. Der Arbeitsfrequenzbereich eines Durchflussmessgerätes kann somit breit gewählt werden und vorzugsweise zwischen 20 kHz bis 500 kHz, insbesondere zwischen 40 bis 300 kHz, betragen. Das Ultraschall-Durchflussmessgerät ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Feldgerät der Prozessmesstechnik.
Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten näher erläutert.
Wie zuvor beschrieben, kann das Vibrationsentkopplungselement ein spezielles Strukturelement enthalten, welches aufgrund seiner geometrischen Ausgestaltung eine starke Bedämpfung des Körperschalls bewirkt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind zwei oder mehr dieser Strukturelemente miteinander verbunden. Aufgrund der geometrischen Abmessungen des Strukturelements und der geringen Schnittstellenfläche kann eine zusätzliche Vibrationsdämpfung erreicht werden.
Die Einkopplungsfläche ist im Fall der Verwendung in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzugsweise gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements angestellt bzw. gekippt. Die Längsachse des Vibrationsentkopplungselements kann vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Messrohres verlaufen. Die Einkopplungsfläche ist vorzugsweise im Winkel zwischen 20 bis 70° zu dieser Längsachse angestellt.
Die Neigung der Einkopplungsfläche kann über eine Kippung des Ultraschallwandlers gegenüber dem/der vibrationsentkoppelnden Strukturelement e erreicht werden. Bei einer gewölbten Platte als Grundkörper können auch die Strukturelemente bereits mit dem entsprechenden Neigungswinkel an dem Grundkörper vorgesehen sein. Eine Kippung ist in diesem Fall nicht notwendig.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Tank zur Bestimmung der Füllstandshöhe ist eine Kippung nicht notwendig.
Die maximalen Auslenkungen der Einkopplungsfläche des Ultraschallwandlers im Sendebetrieb betragen etwa 200 bis 800 nm bei 100 V Sendespannung und 20 bis 80 nm bei 10 V
Sendespannung. Die über die ganze Abstrahlfläche gemittelte Auslenkung beträgt ca. 100 bis 300 nm bei 100 V bzw. 10 bis 30 nm bei 10 V. Dies gilt für den üblichen Ultraschall- Arbeitsfrequenzbereich. Die Auslenkungen im Empfangsbetrieb bzw. sofern sich der
Ultraschallwandler im Empfangsmodus befindet sind einige Größenordnungen kleiner. Die
Auslenkungen der Körperschallwellen bei einer Anordnung ohne Vibrationsentkopplungselement sind allgemein auch deutlich kleiner als die Auslenkungen der jeweiligen Einkopplungsfläche.
Aufgrund unterschiedlicher Faktoren sind die Auslenkungen der Körperschallwellen jedoch schwer quantifizierbar. Allgemein erfolgt durch das Vibrationsentkopplungselement eine Abschwächung bzw. Dämpfung des Körperschalls gegenüber den Randbereichen der Einkopplungsflächen des Ultraschallwandlers zumindest um das 20-fache. In den weit überwiegenden Fällen wird sogar eine Körperschallbedämpfung um mehr als das 100-fache erreicht.
Zusammengefasst weist das erfindungsgemäße Vibrationsentkopplungselement oder dessen bevorzugte Ausführungsvarianten eine Reihe von Vorteilen auf. Einerseits gelingt die Herstellung einer Ultraschallwandler-Befestigung am Messrohr, welche die axialen und radialen Schwingungen des ins Medium einkoppelnden Schwingelements bzw. Ultraschallwandlers stark dämpft, sodass sie nicht als Körperschall störend im Empfangssignal in Erscheinung treten können. Darüber hinaus kann die Anzahl der Bauteile für ein Vibrationsentkopplungselement auf ein Minimum, im besten Fall nur ein Bauteil reduziert werden.
Zwar lässt sich das Bauteil auf unterschiedliche Weise realisieren, allerdings gelingt die Herstellung der vorbeschriebenen Ultraschallwandler-Befestigung am Messrohr mittels selektivem
Laserschmelzen besonders gut, wobei dessen Werkstoffeigenschaften optimal an die jeweilige Anwendung angepasst sind, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit.
Es lassen sich Vibrationsentkopplungselemente in vergleichsweise kurzer Zeit realisieren mit geometrischen Teilelementen, welche in die Gesamtstruktur des Vibrationsentkopplungselements integriert sind und welche einzeln für sich genommen eine Dämpfung des Körperschalls bzw. eine Vibrationsentkopplung zwischen Ultraschallwandler und Messrohr bewirken und welche zur Verbesserung dieser Entkopplung auch miteinander kombinierbar sind.
Das Vibrationsentkopplungselement kann sowohl dichtungslos als auch mit Dichtung an einem Sensorstutzen oder direkt am Messrohr befestigt werden.
Schließlich lässt sich die vorgenannt beschriebene vibrationsentkoppelnde Befestigung für Ultraschallwandler aller Art an beliebige Rohrformen (Rohre mit runden oder rechteckigem
Querschnitt, Dreiecksquerschnitt, usw.) anpassen .
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes;
Fig. 2a Modelldarstellung eines ersten definitionsgemäßen Strukturelements; Fig. 2b Modelldarstellung eines zweiten definitionsgemäßen Strukturelements;
Fig. 2c Modelldarstellung eines dritten definitionsgemäßen Strukturelements;
Fig. 3 Perspektivansicht einer ersten Ausführungsvariante einer
erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 4 Schnittansicht der Anordnung in Fig. 3;
Fig. 5 Einbaulage der Anordnung in Fig. 3 in einem geschnittenen
Stutzen und Messrohr;
Fig. 6 Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsvariante einer
erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 7 Schnittansicht der Anordnung in Fig. 6;
Fig. 8 seitliche Perspektivansicht einer dritten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 9 Schnittansicht der Anordnung in Fig. 8
Fig. 10 Perspektivansicht der Ausführungsvariante wie in Fig. 8,
hier mit einem Sensorbecher anstatt eines Einkopplungsresonators
Fig. 1 1 Perspektivansicht der Ausführungsvariante wie in Fig. 10,
hier mit einem Sensorbecher ausgerichtet an der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements;
Fig. 12 a-f Verschiedene Ausführungen der Anordnung in Fig. 8 ergänzt um eine Membran zum Schutz gegen Verschmutzungen;
Fig. 13 seitliche Perspektivansicht einer vierten Ausführungsvariante einer
erfindungsgemäßen Anordnung mit einer mehrheitlich aus
Kugeln bestehenden Membran zum Schutz gegen Verschmutzungen. In Fig. 1 wird das allgemeine Messprinzip eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes vorgestellt.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen. Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die mittlere Fließgeschwindigkeit entlang des Ultraschallpfades und damit bei bekanntem Strömungszustand und bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler 1 erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler 1 in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Zumeist ist der Rohrabschnitt integrale Einheit des Durchflussmessgerätes und wird als Messrohr 2 bezeichnet. Es sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Die vorliegende Erfindung behandelt jedoch Ultraschall-Durchflussmessgeräte in welchen die
Ultraschallwandler mediumsberührend mit einem mediumsführenden Messrohr verbunden sind.
Die Ultraschallwandler 1 weisen normalerweise ein elektromechanisches Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, auf. Weiterhin kann der Ultraschallwandler über eine Koppelschicht zur verbesserten akustischen Ankopplung und über eine Anpassungsschicht z.B. an gasförmige Medien verfügen.
Aus Gründen der Druckstabilität besteht das Messrohr 2 zumeist aus einem Metall, so z.B. aus Stahl. Bei der Erzeugung des einen Ultraschallsignals durch ein elektromechanisches
Wandlerelement eines ersten Ultraschallwandlers 1a kann ein Teil des Ultraschallsignals auf das Messrohr 2 übertragen werden und sich als Körperschall auf ein elektromechanisches
Wandlerelement eines zweiten Ultraschallwandlers 1 b übertragen. Dieser detektiert dieses
Körperschall-Signal zusätzlich zu dem eigentlichen durch das Messmedium M gegangene
Ultraschall-Nutzsignal U, wodurch eine Störung der Messung auftritt. Daher sollte der
Ultraschallwandler möglichst gut vom Messrohr körperschallentkoppelt sein. Nachfolgend werden verschiedene Aufbauten für Vibrationsentkopplungselemente vorgestellt. Aus den Figuren wird klar, dass diese Geometrien nicht ohne Weiteres in der industriellen Fertigung als Massenprodukt fertigbar sind. Zum einen muss jedes einzelne Element gesondert auf die bestimmte Form vorgefertigt werden. Zum anderen müssen die vorgefertigten Teile durch aufwendige Schweißoder Lötverfahren miteinander verbunden werden. Entsprechende Fertigungstoleranzen von Einzelstück zu Einzelstück sorgen dafür, dass die Produktionskosten kaum oder nicht mehr mit einem vertretbaren Verkaufspreis vereinbar sind.
In neuerer Zeit ist jedoch die Methode des selektiven Laserschmelzens entwickelt worden. Diese Methode kann zur Herstellung von Vibrationsentkopplungskörpern mit den in den Figuren und den nachfolgend beschriebene geometrische Abmessungen genutzt werden. Selektives Laserschmelzen (engl, selective laser melting) ist dem Fachmann als Herstellungsmethode bekannt. Diese Methode wird nunmehr erfindungsgemäß eingesetzt um Vibrationsentkopplungskörper mit komplexen Geometrieelementen herzustellen. Körper, welche durch Laserschmelzen realisiert wurden, weisen aufgrund der schichtweisen Fertigung eine höhere Oberflächenrauhigkeit auf als herkömmliche gegossene oder geschmiedete Teile. Zwar kann diese Oberflächenrauhigkeit durch
Nachverarbeitungsverfahren (Schleifen und Polieren) gemindert werden, trotzdem wird aufgrund des geringen Raumbedarfes innerhalb des Vibrationsentkopplungskörpers eine entsprechend erhöhte Oberflächenrauhigkeit, typischerweise größer Ra = 3,2 μιη, an einzelnen Geometrieelementen auszufinden sein. Die Oberflächenrauhigkeit kann mittels des Messgerätes PCE RT-10 bestimmt werden.
Durch das selektive Laserschmelzen kann zudem ein Halteelement 52 als ein Bestandteil des vorzugsweise monolithisch-ausgebildeten Vibrationsentkopplungselements ausgebildet sein. Mittels selektivem Laserschmelzen (SLS) können jedoch auch mehrere unterschiedliche metallische Materialien miteinander verbunden werden. Hierfür eignet sich besonders die sogenannte
Hybridbauweise, bei der auf einer ebenen Fläche eines konventionell hergestellten Bauteils ein weiteres Bauteil mittels generativem Verfahren, z.B. SLS aufgesetzt wird. So kann z.B. das schallabstrahlende Element als Drehteil aus Titan und das Vibrationsentkopplungselement mittels SLS-Verfahren aus einem anderen Metall gefertigt werden. Diese Art der Materialverbindung ist insbesondere bei schweißbaren Materialien durchführbar. Der Materialübergang zwischen den Materialien kann, anders als beim Schweißen oder Löten, nahtlos bzw. verbindungsnaht- oder schweißnahtlos ausgebildet sein. Es ist allerdings auch möglich einzelne Teilsegmente zu fertigen und diese miteinander zu verschweißen. Dadurch umgeht man z.B. schwer schweißbare Stellen.
In Fig. 3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung 49 welche in einem Sensorstutzen 58 an einem Messrohr 59 angeordnet ist und welche einen Ultraschallwandler aufweist. Der
Ultraschallwandler besteht im vorliegenden Fall aus einem Piezoelement 53 und einem metallischen Halteelement 52, in welchem das Piezoelement 53 angeordnet ist. Dieses Halteelement 52 weist eine Abstrahlplatte mit einer Einkopplungsflache E auf, von welcher aus das Ultraschallsignal an das Messmedium abgegeben wird. Diese Abstrahlplatte ist über einen Sockel mit einem Grundkörper verbunden, welcher das Piezoelement 53 hält.
Das Halteelement 52 ist mit einem Vibrationsentkopplungselement 50 verbunden, welches eine rotationsasymmetrische Geometrie aufweist und daher die Ausbildung starker Resonanzen verhindert. Dieses Vibrationsentkopplungselement 50 weist daher eine spezielle Geometrie auf. Das Vibrationsentkopplungselement 50 der Fig. 3-5 weist mehrere Strukturelemente 55 in Form von drei miteinander verbundenen Kugeln auf. Diese Strukturelemente 55 sind Festkörper bzw.
Massivelemente, welche jeweils eine oder mehrere Schnittstellen mit anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements 50 aufweisen. Die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) ist insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers. Der kleinste Querschnitt bzw. die kleinste Dimension dieser Schnittstelle(n) kann besonders bevorzugt mehr als zweimal kleiner ausfallen als der kleinste Querschnitt bzw. die kleinste Dimension eines imaginären Quaders, der allseitig begrenzend um das jeweilige Strukturelement gelegt wird. Zur besseren Darstellung der Dimensionierung der Strukturelemente 1 1 kann die gegenständliche Darstellung der Fig. 2 a-c herangezogen werden, in welchen drei verschiedene Varianten für Strukturelemente dargestellt sind, welche unter die vorgenannte Definition fallen. Im gestrichelten Kästchen ist ein Quadrat als Fläche des imaginären Quaders angedeutet.
Das Vibrationsentkopplungselement ist vorzugsweise monolithisch aufgebaut. Zudem ist eine Aufnahme 54 mit einer Schnittstelle vorgesehen in welcher das Halteelement 52 angeordnet ist. Dabei die Aufnahme 54 derart ausgerichtet, dass das Ultraschallsignal von dem in der Aufnahme 54 angeordneten Halteelement 52 in einem Winkel ungleich 90° zur Messrohrachse A, insbesondere in einem Winkel α zwischen 20-40° zu einer Senkrechten der Messrohrachse A, eingestrahlt wird. Diese Senkrechte liegt im Ausführungsbeispiel der Fig. 2-4 als auch in den weiteren
Ausführungsbeispielen auf der Längsachse T des Vibrationsentkopplungselements. Im vorliegenden Fall erfolgt die Abweichung von einer Rotationssymmetrie aufgrund der angewinkelten Lage der Aufnahme gegenüber der Längsachse T. Es kann allerdings auch an einer anderen Stelle des Vibrationsentkopplungskörpers eine Abweichung erfolgen. Ein Abweichen der Rotationssymmetrie durch die Kippung der Aufnahme gegenüber den nachfolgenden Elementen ist jedoch besonders von Vorteil. Die Strukturelemente 55 sind durch einen Flächenkontakt mit einer Schlussplatte bzw. einem plattenförmigen Grundkörper 56 verbunden. Diese Schlussplatte weist eine flanschartige
Ausformung mit einer weiteren Schnittstelle auf, welche zur Festlegung des
Vibrationsentkopplungselements am Messrohr oder am Messrohrstutzen dient. Somit dient diese flanschartige Ausformung der Auflage auf oder an einem Sensorstutzenflansch.
Die flanschartige Ausformung kann zudem eine Dichtung aufweisen, welche an dem
Vibrationsentkopplungselement 50 angeordnet ist und im montierten Zustand auf dem
Sensorstutzenflansch aufliegt. Die Schlussplatte 56 weist zudem eine Öffnung auf zur Durchführung elektrischer Anschlüsse und Signalkabel zu dem Ultraschallwandler bzw. zum Piezoelement.
Die in Fig. 3-5 dargestellte Geometrie ist nur eine von einer Vielzahl an Möglichkeiten für einen speziellen geometrischen Aufbau eines Zwischenelements bzw. eines
Vibrationsentkopplungselements, welches zwischen dem eigentlichen Ultraschallwander und dem Messrohrstutzen angeordnet ist.
Das Halteelement 52 kann auch als Becher mit einer zylinderförmigen Mantelfläche und einer endständigen planaren Abstrahlfläche ausgebildet sein. Diese Variante wird in Fig. 10 dargestellt. In diesem Becher ist das Piezoelement angeordnet. Die Mantelfläche ist mit der Aufnahme 71 und damit mit dem Vibrationsentkopplungselement 70 verbunden
Die Strukturelemente 55 der Fig. 3-5 sind fest mit der Aufnahme 54 zu einem monolithischen Bauteil verbunden. Der Grundkörper 56 ist vorliegend als plattenförmiger Grundkörper ausgebildet. Der Grundkörper kann allerdings auch andere Ausgestaltungen haben. Da mehrere Strukturelemente vorgesehen sind, welche nur punktuell miteinander verbunden sind, handelt es sich um eine offene Struktur.
Im konkreten Fall der Fig. 3-5 handelt es sich um kugelförmige Strukturelemente. Es können jedoch auch weitestgehend ellipsen- und/oder vielflächig-polyederförmige Strukturelemente sein, welche durch Flächenkontakt mit der Aufnahme 54 und dem Grundkörper 56 verbunden sind. Die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) ist insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers. Der Grundkörper 56 ist plattenförmig ausgebildet mit einer zentralen Wölbung. In den Randbereichen des Grundkörpers ist eine Dichtung 57 angeordnet, welche im montierten Zustand zwischen dem Grundkörper 56 und einem Sensorstutzen 58 angeordnet ist. Der dargestellte Grundkörper 56 ist nur ein Beispiel einer Reihe weitere Ausführungsvarianten für die Ausgestaltung dieses Elements des Vibrationsentkopplungselements 50. So kann auch bei diesem Beispiel der Grundkörper kuppeiförmig ausgebildet sein. In diesem Fall bedarf es zum Anschluss des
Vibrationsentkopplungselements keines Sensorstutzens 58, sondern lediglich einer Öffnung im Messrohr 59. Die Strukturelemente 55 sind ebenfalls durch Flächenkontakt miteinander verbunden. Weiterhin weist ein Strukturelement 55 sowie der Grundkörper 56 und die Aufnahme 54 einen Kanal auf für ein Strom- und/oder ein Signalkabel. Die Struktur des Vibrationsentkopplungselements 50 ist eine offene Struktur. Das heißt, dass zwischen den einzelnen Elementen, so u.a. auch zwischen den einzelnen Strukturelementen des Vibrationsentkopplungselements 50 Freiräume vorhanden sind. Somit wird anders als bei den vorhergehenden Vibrationsentkopplungselementen kein
geschlossener Hohlraum geschaffen, sondern die besagte offene Struktur. Die offene Struktur ermöglicht eine besonders bevorzugte Vibrationsentkopplung bzw. Körperschallentkopplung, da Schwingungen nur über eine sehr geringe Fläche übertragen werden. Um einer Verschmutzung vorzubeugen kann die offene Struktur mit einer Blende, einem dünnen Prallblech oder mit einem dünnen Mantelblech umgeben sein, welches z.B. zylindrisch oder konisch ausgebildet ist. Es kann beispielsweise am Grundkörper 56, zwischen Grundkörper 56 und
Messrohrstutzen 58, am Messrohrstützen 58 oder am Messrohr 59 angeordnet sein. Auch dieses Vibrationsentkopplungselement 50 kann erfindungsgemäß durch selektives
Laserschmelzen hergestellt werden.
Fig. 6-7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung 68 mit einem Vibrationsentkopplungselement 60 mit asymmetrischer Geometrie zur Anordnung in einem
Sensorstutzen, der analog zum Sensorstutzen 58 ausgestaltet sein kann. Hierbei wird die
Vibrationsentkopplung dadurch erreicht, dass zwischen der Aufnahme 61 des Ultraschallwandlers 62 und dem plattenförmigen Grundkörper 63 eine offene Struktur 64 angeordnet ist. Diese offene Struktur 64 besteht aus einzelnen Streben oder Strängen bzw. stabförmige Verbindungselemente. Dabei kann es sich auch um Hohlstreben handeln. Ein zentrales gerades Verbindungselement 65 dient der Stützung der Aufnahme 61. Innerhalb dieses Verbindungselements 65 ist ein Kanal 67 angeordnet, welche sich vom Grundkörper 63 über das Verbindungselement 65 zur Aufnahme 61 erstreckt. Neben dem geraden stabförmigen Verbindungselement 65 sind vorzugsweise auch gebogene Streben 66 vorgesehen. Durch die Biegungen der Verbindungselemente 66 werden Vibrationen zusätzlich vorteilhaft gedämpft. Sofern die in Fig. 6-7 dargestellte offene Struktur 64 bzw. offene Stützstruktur verschmutzt, so kann anhand eines Sollwertvergleiches des SNR-Signals eine Abschätzung über den Umfang der Verschmutzung getroffen werden. Fig. 8 und 9 zeigt ein Vibrationsentkopplungselement 70 als eine Abwandlung des
Ausführungsbeispiels der Fig. 6 und 7 zur Anordnung in einem Sensorstutzen, der analog zum Sensorstutzen 58 ausgestaltet sein kann. Das Vibrationsentkopplungselement weist eine Aufnahme 71 zur Befestigung eines Ultraschallwandlers 72 auf. Zudem weist das
Vibrationsentkopplungselement einen Grundkörper 73 auf, welcher in diesem konkreten
Ausführungsbeispiel die Form einer gewölbten Platte aufweist. Zwischen dem Grundkörper 73 und der Aufnahme 71 ist eine offene Struktur 74 angeordnet. Anders als bei Fig. 6 und 7 ist bei dieser Ausführungsvariante keine zentrale Strebe vorgesehen. Dafür sind drei Schwingkörper 75 vorgesehen. Die Schwingkörper 75 sind Strukturelemente des Vibrationsentkopplungselements 70 und analog zu den vorbeschriebenen Strukturelementen dimensioniert. Somit sind die Schwingkörper 75 der Fig. 8 und 9 Festkörper bzw. Massivelemente, welche jeweils eine oder mehrere Schnittstellen mit anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements 70 aufweisen. Die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) ist insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers.
Die Schwingkörper 75 sind in Fig. 8 und 9 kugelförmig ausgestaltet. Sie können allerdings auch weitestgehend ellipsen- und/oder vielflächig-polyederförmige oder andere geometrische Formen annehmen. Körperschall wird bei Betrieb der Ultraschallwandler teilweise auf den Schwingkörper übertragen und innerhalb dieses Schwingkörpers 75 in alle Richtungen verteilt. Der Schwingkörper ist über stabförmige Verbindungselemente 76 am Grundkörper 73 und/oder an der Aufnahme 71 befestigt. Durch Stauchung, Streckung, Biegung oder Torsion der Streben 76 erfolgt ein zusätzlicher Ausgleich der Schwingungen. Zudem kann der Schwingkörper 75 im Betrieb des
Ultraschallwandlers entlang einer geraden Verbindungslinie zwischen der Aufnahme 71 und dem Grundkörper 73 sowohl in Längsrichtung, also parallel zur der Verbindungslinie, als auch in
Querrichtung, also nicht-parallel zu der Verbindungslinie schwingen, wodurch eine
Vibrationsdämpfung verschiedener unterschiedlicher Schwingungsmoden erfolgt. Wie schon in den vorhergehenden Vibrationsentkopplungselementen ist auch in diesem Element ein Kanal 78 zur Führung eines Signal- und/oder Stromkabels vorgesehen. Dieser verläuft durch die
Verbindungselemente 76 und den Schwingkörper 75 und erstreckt sich vom Grundkörper 73 bis zur Aufnahme 71. Die Ultraschallwandler in Fig. 3-10 sind gegenüber der Längsachse des
Vibrationsentkopplungselements gekippt bzw. gekröpft. Diese Variante kann insbesondere bei Ultraschalldurchflussmessgeräten vorteilhaft eingesetzt werden, weil sich damit der Signalpfad insbesondere in einem vorzugsweise Winkel zwischen 20 und 70° zur Rohrlängsachse anstellen lässt. Die Kippung gibt dabei zugleich den Einstrahlwinkel des Signalpfades vor.
Im Fall eines Ultraschallmessrohrs mit schräg angeschweißten Sensorstutzen oder einer
Füllstandsmessung ist ein solcher Winkel nicht erforderlich. Daher ist der Ultraschallwandler nicht gegenüber der Längsachse des Vibrationsentkopplungselements gekippt. Diese Variante ist in Fig. 1 1 dargestellt.
Die offenen Strukturen der Fig. 3-1 1 und allgemein alle weiteren Varianten von offenen Strukturen lassen sich durch eine zusätzliche Blende oder durch ein zusätzliches Gehäuse vor Verschmutzung schützen. Dafür empfehlen sich u.a. auch dünnwandige Membranen, wie sie in Fig. 12 a-f dargestellt sind.
Fig. 12a zeigt eine dünnwandige Membran 80 in Form eines Flächengebildes mit im Wesentlichen gleichmäßiger Wandstärke, welche das Eindringen von Partikeln in die offene Struktur 74 verhindert. Die Membran 80 kann eine bevorzugte Wandstärke von weniger als 2 mm aufweisen und kann vorzugsweise aus Kunststoff oder besonders bevorzugt aus Metall bestehen. Sie verbindet die Grundplatte 73 mit der Aufnahme 71.
Die offene Struktur 74 aus Fig. 9 ist als eine Stützstruktur ausgebildet und kann funktional verstanden werden. Die Bestandteile der offenen Struktur übernehmen im Wesentlichen die Stützfunktion des Ultraschallwandlers. Dabei bildet die Gesamtheit der stützenden Bestandteile, also z.B. nur die Strukturelemente 55 wie in Fig. 3 - 5 oder die Strukturelemente 75 mit den
Verbindungselementen 76 wie in Fig. 8 - 10 keinen Hohlraum aus. Die offene Stützstruktur definiert somit keinen geschlossenen Hohlraum. Eine vor Verschmutzung schützende Membran gehört dabei nicht zur offenen Stützstruktur. Es ist keine Druckdifferenz zwischen einem Medium außerhalb und innerhalb der offenen Struktur vorhanden.
Sofern die offene Struktur von einer Hohlmembran umgeben ist können die Zwischenräume der offenen Struktur mit einem anderen Material gefüllt sein. Dieses Material kann schalldämpfendes Vergussmaterial sein oder ganz besonders bevorzugt ein Metallpulver bzw. Metallstaub. Auch wenn die offene Struktur bei dieser Variante gefüllt ist, so ist sie trotzdem definitionsgemäß als offene Struktur zu verstehen. Ein einziger Freiraum in Form eines Hohlraumes, welcher von Struktur- und Verbindungselementen voll umschlossen wird, ist nicht als offene Struktur zu verstehen. Obwohl die Membran 80 somit einen Hohlraum definiert, ist die offene Struktur weiterhin erhalten.
Fig. 12 b ist eine Weiterentwicklung zu Fig. 12 a. Dabei sind in der Grundplatte 73 zwei Kanäle 81 angeordnet, welche den Messrohrinnenraum mit dem durch die Membran 80 gebildeten Hohlraum verbinden. Dies dient dem Druckausgleich. In einer besonders bevorzugten, nicht-dargestellen Ausführungsvariante kann sich an/in den Kanälen ein Balg oder ein Filter befindet; um den vorgenannten Hohlraum vor Verschmutzung und auch vor Verstopfung zu schützen.
Fig. 12c ist ebenfalls eine Weiterentwicklung von Fig. 12a. Hierbei weist die Grundplatte 73 zwei Stutzen 82 mit senkrechten Kanälen auf, welche sich von der Unterseite der Grundplatte bis zum Rand des Stutzens erstrecken. Diese sind zur Befüllung oder auch Entleerung des durch die Membran gebildeten Hohlraums, z.B. mit Metallpulver, vorgesehen. Gleichzeitig könnten sie auch eine Montagehilfe sein, um einen Print zu montieren. In der Weiterentwicklung gemäß Fig. 12d befinden sich Aussparungen 83 in der Membran 80, so dass das Messmedium M in den durch die Membran definierten Hohlraum mit der darin
angeordneten offenen Struktur 74 eintreten kann. Anzahl, Form und Größe der Aussparungen 83 sind variabel. Diese Aussparungen können z.B. auch einiges kleiner und an der Anzahl auch weniger sein. Sie dienen primär dem Druckausgleich, während die Membran als Schmutzschutz der Entkopplungselemente bzw. der offenen Struktur vorgesehen ist.
Wie schon zuvor erwähnt, haben sich Kugeln, Ellipsoide, Tori und/oder vielflächige Polyeder als besonders geeignet zur Schallentkopplung erwiesen. In Fig. 12e:ist eine Weiterentwicklungsvariante der Membran 80 mit einem Kugelring 84, also eine einreihige Anordnung aus nebeneinander geordneten Kugeln, dargestellt. Die Kugeln können miteinander verbunden sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Ebenfalls denkbar, jedoch weniger bevorzugt ist ein Ring aus Ellipsoiden oder ein Torus.
Fig. 12f zeigt eine Weiterentwicklung der Fig. 12e mit einem zweiten Kugelring 85. Dieser weist bevorzugt eine Größenvarianz der Kugelradien gegenüber dem ersten Kugelring 84 auf. Die
Kugelringe 84, 85 können miteinander verbunden sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Fig. 13 zeigt im Unterschied zu Fig. 12 a-f keine Membran, sondern eine weitere
Ausführungsvariante eines Vibrationsentkopplungselements 86 einer offenen Struktur 87 aus einer Vielzahl von Kugelringen. Im Unterschied zu den Fig. 12 a-f ist sind die Kugelringe der Struktur 87 die einzigen stützenden Bestandteile, welche ausgehend von der Grundplatte 73 die Aufnahme 71 stützen. Die Kugelringe schließen einen Hohlraum ein. Ein Kanal für das Signalkabel ist innerhalb der offenen Struktur 87 angeordnet. Die Vibrationsentkopplungselemente der Fig. 3-13 sind ebenfalls erfindungsgemäß durch selektives Laserschmelzen herstellbar. Zusätzlich können auf diese Weise auch die in Fig. 12 dargestellte Membranen hergestellt werden. Die Abmessungen der in Fig. 3-13 dargestellten Ausführungsbeispiele gelten exemplarisch für Wandler mit 200 kHz Primärschwingungsfrequenz und Piezoabmessungen: d = 5 mm, h = 1.5 mm.
In den Fig. 3-10 und 12-13 sind ausschließlich Vibrationsentkopplungselemente dargestellt, die eine Schrägstellung der Ultraschallwandler-Einheit vorsehen, sogenannte gekröpfte Transducer.
Selbstverständlich lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren auch Geometrien realisieren, bei denen der Ultraschallwandler genau senkrecht zur Befestigung am Stutzen angebracht ist, und bei denen die Schrägstellung des Ultraschall-Messpfades durch Kippung der Messrohrstutzen erzielt wird. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 1 1 dargestellt.
Bezugszeichen
1 , 51 , 62, 72 Ultraschallwandler
2, 59 Messrohr
49, 68, 77 Anordnung
53 Piezoelement
52 Halteelement
50, 60, 70 Vibrationsentkopplungselement
55 Strukturelement
54, 61 , 71 Aufnahme
56, 63, 73 plattenförmiger Grundkörper
58 Sensorstutzen
67, 78 Kanal
57 Dichtung
64, 74 offene Struktur
65 zentrales stabformiges Verbindungselement
66, 76 stabformige Verbindungselemente
75 Schwingkörper 79 becherartiges Halteelement
80 Membran
81 , 82 Druckausgleich- oder Füllkanal
83 Aussparungen
84. 85 Kugelring
86 Kugelmembran
α Winkel
T Senkrechte bzw. Längsachse
A Messrohrachse
S Ringstärke
D Durchmesser
U Ultraschall-Nutzsignal
M Messmedium
E Einkopplungsfläche
N Normalenvektor

Claims

Patentansprüche
Anordnung zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschall-Nutzsignals (U) in ein Messmedium (M) umfassend ein Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) mit einer Längsachse (T) zum Festlegen mindestens eines Ultraschallwandlers (51 , 62, 72) in einem Behältnis,
wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) oder der Ultraschallwandler (51 , 62, 72) über eine Einkopplungsfläche (E) Ultraschall-Nutzsignale (U) an ein Messmedium (M) abgibt oder empfängt, und
wobei das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) eine Schnittstelle aufweist, an welcher das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) an das Behältnis, insbesondere an ein Messrohr oder einen Tank, oder an einen am Behältnis angebrachten Sensorstutzen (58) anschließbar ist, welches Behältnis teilweise oder vollständig mit Messmedium (M) gefüllt ist; und wobei die Amplitude des im Messmedium (M) übertragenen Nutzsignals (U) unter Referenzbedingungen und im Frequenzbereich des Nutzsignals (U) um mehr als 20 dB grösser ausfällt als die Amplitude des über die Schnittstelle und über die Wand des
Behältnisses übergetragenen Störsignals,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselements
rotationsasymmetrisch ausgebildet ist
und/oder dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 70) eine Aufnahme (54, 71 ) zur Halterung eines Ultraschallwandlers (51 , 72) aufweist und einen Grundkörper (56, 73) zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements (50, 70) an dem Sensorstutzen(58) oder dem Behältnis aufweist, und wobei zwischen der Aufnahme (54, 71 ) und dem Grundkörper (63, 73) eine offene Stützstruktur (64 74) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) monolithisch aufgebaut ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsfläche (E) Teil des Vibrationsentkopplungselements (50, 60, 70) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) ein metallisches Bauteil ist und zumindest bereichsweise aus einem der folgenden Materialien besteht:
a) Stahl, insbesondere Edelstahl oder Werkzeugstahl;
b) Titan oder einer Titanlegierung; c) einer Nickelbasislegierung,
d) Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
e) einer Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierung
f) einer Bronzelegierung
g) einer Edelmetalllegierung
h) einer Kupferlegierung
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) abschnittsweise aus mehreren schweißbaren Metallen und/oder Metalllegierungen besteht, welche nahtfrei, insbesondere klebenaht-, Schweißnaht- oder lötnahtfrei, miteinander verbunden sind.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement in eine im Behältnis eingebrachte Öffnung, insbesondere ohne Verbindung durch einen Sensorstutzen, einsetzbar ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) einen integral ausgebildeten Kanal (67, 78) zur Führung eines Strom- und/oder Signalkabels aufweist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement (50, 60, 70) eine Aufnahme (54, 71 ) zur Halterung eines Ultraschallwandlers (51 , 72) aufweist und einen Grundkörper (56, 73) zur Festlegung des Vibrationsentkopplungselements (50, 70) an dem Sensorstutzen(58) oder dem Behältnis aufweist, und wobei zwischen der Aufnahme (54, 71 ) und dem Grundkörper (56, 73) ein vibrationsentkoppelndes Strukturelement (55, 75) angeordnet ist, welches Strukturelement (55, 75) als Festkörper ausgebildet ist, welcher Festkörper jeweils eine oder mehrere Schnittstellen mit anderen Elementen des Vibrationsentkopplungselements (50, 70), insbesondere mit der zweiten Schnittstelle zur Halterung des Ultraschallwandlers und/oder dem Grundkörper (56, 73), aufweist und wobei die Dicke des Materials an der
Schnittstelle(n) insbesondere mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers ist,, wobei zumindest ein Strukturelement, vorzugsweise alle Strukturelemente, weitestgehend kugel-, ellipsoid-, torus- oder vielflächig-polyederförmig ausgebildet ist / sind.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Struktur aus stabformigen Verbindungselementen besteht, oder eine Kombination aus vibrationsentkoppelnden Strukturelementen und stabförmigen Verbindungselementen aufweist, welche die Aufnahme (54, 71 ) mit dem Grundkörper(56, 73) verbinden.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsentkopplungselement eine Membran (80) aufweist, welche am
Vibrationsentkopplungselement angeordnet ist, und dass diese Membran einen Hohlraum einschließt, in welchem Hohlraum die offene Struktur oder zumindest das eine oder mehrere Strukturelemente angeordnet sind.
1 1. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum, welcher durch die Membran um die Verbindungselemente der offenen Struktur begrenzt wird mit einem vibrationsdämpfenden Material, vorzugsweise mit einem pulverförmigen Material, gefüllt ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente voneinander beabstandet sind oder miteinander lediglich durch
Flächenkontakt mit einer oder mehreren Schnittstellen, wobei die Dicke des Materials an der Schnittstelle(n) mehr als zweimal kleiner als die Dicke des Festkörpers ist..
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der stabförmigen Verbindungselemente (76) größer oder gleich lambda/8, vorzugsweise größer oder gleich lambda/4 des Ultraschallsignals beträgt.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung durch selektives Laserschweißen hergestellt ist.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturelement bzw. die Strukturelemente im Wesentlichen massiv ist bzw. sind, wobei die Masse eines Strukturelements mindestens 80%, beispielsweise mindestens 90% und bevorzugt mindestens 95% der Masse eines mit dem Strukturelement formgleichen massiven Referenzkörpers beträgt, der aus dem gleichen Werkstoff wie das Strukturelement besteht.
16. Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem Messrohr und zumindest zwei am Messrohr (59) angeordneten Anordnungen (49, 68, 77), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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