WO2016180629A1 - Anordnung umfassend einen ultraschallwandler und clamp-on ultraschalldurchflussmessgerät - Google Patents

Anordnung umfassend einen ultraschallwandler und clamp-on ultraschalldurchflussmessgerät Download PDF

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WO2016180629A1
WO2016180629A1 PCT/EP2016/059279 EP2016059279W WO2016180629A1 WO 2016180629 A1 WO2016180629 A1 WO 2016180629A1 EP 2016059279 W EP2016059279 W EP 2016059279W WO 2016180629 A1 WO2016180629 A1 WO 2016180629A1
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coupling
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Achim Wiest
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2965—Measuring attenuation of transmitted waves

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flowmeter.
  • Automation technology used. They allow the volume and / or
  • Mass flow of a medium in a pipeline to determine contactless Mass flow of a medium in a pipeline to determine contactless.
  • the known ultrasonic flowmeters operate either on the Doppier principle or on the transit time difference principle.
  • running time difference principle the different duration of ultrasonic measurement signals in the flow direction and against the flow direction of the medium is evaluated.
  • Ultrasonic measuring signals from the ultrasonic transducers alternately emitted or received in the flow direction and against the flow direction of the medium. From the transit time difference of the ultrasonic measuring signals, the flow rate and thus at a known diameter of the pipe volume flow or at a known or measured density of the medium mass flow can be determined.
  • ultrasonic measurement signals are coupled into the flowing medium at a predetermined frequency.
  • the reflected in the medium ultrasonic measurement signals are evaluated.
  • a frequency shift occurring between the injected and the reflected ultrasonic measurement signal can also be the flow velocity of the medium or the volume and / or
  • Ultrasonic flowmeters compared to the ultrasonic flowmeters, which operate on the transit time difference principle, rather limited.
  • Clamp-on flowmeters are for example, in EP 0 686 255 B1, US Pat. No. 4,484,478 or US Pat. No. 4,598,593.
  • the ultrasonic measuring signals are radiated and / or received at a predetermined angle in the pipe or in the measuring tube, in / in which the flowing medium is.
  • the ultrasonic measuring signals are coupled via a feed body or a coupling wedge in the pipeline or coupled out of the pipeline.
  • the main component of an ultrasonic transducer is at least one piezoelectric element which generates and / or receives the ultrasonic measuring signals.
  • the ultrasonic measuring signals generated in a piezoelectric element are via the coupling wedge or the flow body and - in the case of a clamp-on
  • c n the speed of sound, for example, in the coupling wedge, for example made of plastic;
  • c m the speed of sound z.
  • the medium which is, for example, water
  • a n the angle between the sound path and the perpendicular perpendicular to the interface of the coupling wedge at the point of penetration of the ultrasonic measuring signal through the interface
  • a m the angle between the sound path and the vertical perpendicular to the interface of the medium at the point of penetration of the ultrasonic measurement signal through the interface.
  • Plastic can i.a. achieve a good impedance match; However, the speed of sound of plastic shows a relatively strong temperature dependence.
  • the speed of sound of plastic changes from about 2500 m / s at 25 ° C to about 2200 m / s at 130 ° C.
  • the transit time of the ultrasonic measuring signals in the plastic of the coupling wedge caused by the temperature changes also the propagation direction of the ultrasonic measuring signals in the flowing medium. Both changes affect one after the
  • the segments are made of metal.
  • the individual segments are arranged separately from each other and extend from a contact plane which faces the piezoelectric element, up to a
  • Base plate which communicates with the pipe wall. The length of the individual
  • Segments is dimensioned so that the ultrasonic measurement signals are radiated or received at the base plate at a predetermined angle.
  • the invention has for its object to provide a clamp-on ultrasound, whose accuracy is relatively insensitive to
  • This arrangement comprises an ultrasonic transducer and a wall of a pipe or a container.
  • the ultrasonic transducer is from the outside to the one
  • a coupling grease can additionally be used in a known manner.
  • the ultrasonic transducer is provided for transmitting and receiving ultrasonic measurement signals.
  • at least transducer element e.g. one
  • piezoelectric transducer element provided. These can be single or as so-called stack with several transducer elements to be arranged one above the other. They convert a tension into mechanical movements and, conversely, can generate tension from mechanical movements.
  • the mechanical movements are delivered in the form of ultrasonic waves via a coupling element and over the wall of the tube or container in the medium.
  • the ultrasonic transducer is associated with a level measuring device when arranged on a container. Since the invention has particular advantages, especially with hot media, level measurement can be applications from the field of hot sterilization or the like.
  • the ultrasonic transducer is associated with a flow meter when placed on a pipe.
  • the ultrasound transducer has a coupling element, via which the ultrasound measuring signals are coupled into the container and / or tube at a predetermined coupling-in or outcoupling angle, or are coupled out of the container and / or the tube.
  • Corresponding coupling elements have been known for some time.
  • the arrangement comprises a control / evaluation unit which, based on measurement signals or on the basis of measurement data derived from the measurement signals, the volume and / or mass flow of a flowing medium in the pipe or container or alternatively or additionally to the level of a in the container
  • the ultrasound transducer and the control / evaluation unit are to be understood as a structural unit, which may be e.g. are integrated in an ultrasonic flowmeter or level gauge.
  • the aforementioned coupling element according to the invention consists of a block of a silicon-containing glass.
  • the glasses are based based preferably on silica and / or silicates. However, they can be enriched with a very high level of heavy metal species. These heavy metal species, for example heavy metal oxides, may also contain more than 50% by weight, for example 60-70% by weight, in the silicon-based glass.
  • the glass is an inorganic glass and not plastic glass, such as acrylic glass.
  • the silicon-containing glass comprises at least 10% by weight of a silicon species such as silicon dioxide or a silicate, preferably it comprises at least 20% by weight of a silicon species.
  • the aforementioned coupling element can also further
  • Coupling elements can be provided, which can be summarized under form and possibly also material closure to form a unit. It is sufficient if one of these coupling elements is designed as a glass or silicate block.
  • Heavy metals in the context of the present invention include all metals with a density of more than 5 g / cm 3 .
  • the block of silicon-containing glass is designed as a coupling wedge. This applies in particular when used in a clamp-on flowmeter as the angle at which the ultrasonic signal enters the pipe wall and later also into the measuring medium is correspondingly precisely defined and changes only slightly with temperature changes.
  • the coupling wedge may advantageously have an angle of 20-60 °, wherein a vertex of the angle is the Auflagegläche the coupling wedge on the container and / or the tube
  • the block of silicon-containing glass in each case has a content of a heavy metal species of more than 50 percent by weight. As a result, the density of the material is increased and adapted to the remaining elements of the arrangement.
  • the heavy metal species is preferably a metal oxide.
  • the block of silicon containing glass consists of heavy flint glass. has an acoustic impedance which is higher than that of plastic, whereby lower losses of signal components can be achieved by reflection
  • the density of the block is advantageously at least 3.5 g / cm 3 , preferably 4.0 to 8.5 g / cm 3 at 25 ° C.
  • the thermal coefficient of linear expansion of the block is preferably in the range of up to a maximum of 9.5 * 4 * 10 -8 K -1 (static measurement), in particular up to a maximum of 5 * 4 * 10 -8 K ".
  • the ultrasonic transducer has a sound-generating ultrasonic transducer element which is fixed in a form-fitting manner on one side of the coupling element.
  • Positive locking can be achieved for example by a spring element which presses the transducer element against the coupling element.
  • the ultrasonic transducer element or the transducer element can also be fixed in a material-locking manner by means of an adhesion promoter on one side of the coupling element. Due to the adapted thermal expansion, the temperature does not rise when the ultrasonic transducer element is released.
  • An inventive clamp-on ultrasonic flowmeter has at least two arrangements according to one of claims 1-10.
  • the arrangements may preferably be configured in a one or two truss arrangement.
  • Fig. 1 a schematic representation of a conventional clamp-on ultrasonic flowmeter in two-truss arrangement
  • Fig. 2 a schematic representation of an arrangement of a clamp-on
  • Ultrasonic transducer on a pipe.
  • a clamp-on flowmeter 1 is shown in a so-called two-truss arrangement 10 schematically.
  • Other arrangements e.g. Traverse arrangements, known. These arrangements can also be used in the same way in the context of the present invention
  • the flowmeter 1 determines the volume flow and / or the
  • Ultrasonic transducers 3, 4 are attached to the tube 7 by means of a fastening device not shown separately in FIG. Appropriate
  • the tube 7 with a predetermined inner diameter di is flowed through by the medium 2 in the flow direction S.
  • An ultrasonic transducer 3; 4 comprises as essential components at least one piezoelectric element 5; 6, which generates and / or receives the ultrasonic measuring signals, and a coupling wedge or a leading body 1 1; 12.
  • the ultrasonic measuring signals are coupled via the coupling wedges 1 1, 12 in the flowed through by the medium 10 tube 7 or coupled out of the tube 7.
  • the coupling wedges 1 1; 12 specify the direction of irradiation or emission of the ultrasonic measuring signals from the tube or from the medium; above that they serve to optimize the impedance matching of the ultrasonic measuring signals during the transition into the tube 7 or from the tube 7.
  • the two ultrasonic transducers 3, 4 are positioned at a distance L from each other, wherein the distance L is chosen so that the highest possible energy components of an ultrasonic transducer 3; 4 emitted ultrasonic measuring signals in the other ultrasonic transducer 4; 3 is received.
  • the optimal positioning depends on a large number of different system and / or process variables. These system and process variables are, for example, the
  • Sound velocity c 4 of the medium 10 Sound velocity c 4 of the medium 10.
  • the sound velocities in the different materials such as coupling wedge, pipe wall and medium have a more or less strong temperature dependence.
  • the distance L of the two ultrasonic transducers 3, 4 is such that the ultrasonic measurement signals, which are emitted and received alternately by the two ultrasonic transducers 3, 4 according to the transit time difference method, via the sound path SP in the medium 10 flow through the pipe 7 spread.
  • the sound path SP has two traverses, that is two transverse sections of the tube 7.
  • the trusses can run diametrically or cordially.
  • Fig. 2 shows schematically an embodiment of the invention
  • the ultrasonic transducer consists of at least two sub-elements, a sound-generating transducer element 20, e.g. a piezoelectric transducer element, and a coupling wedge 22, also called a lead body, which are successively traversed by the ultrasonic measuring signals transmitted and / or received by the transducer element 22.
  • a sound-generating transducer element 20 e.g. a piezoelectric transducer element
  • a coupling wedge 22 also called a lead body
  • the coupling / decoupling angle is essentially determined by the geometry of the wedge 22, i. the geometry of the coupling wedge 22 is chosen so that as much energy as possible passes through the interface between the coupling wedge 22 and a pipe 23 through which a medium 24 flows.
  • the coupling or decoupling of a high energy component of the ultrasonic measurement signal is of crucial importance for a good measurement accuracy. In order to achieve the reliable measurement results over any period of time, it is also important that a specified optimized coupling / decoupling angle subsequently also remains constant. As mentioned, any deviation from the given value leads to a deterioration of the
  • the problem is a permanent constancy of the Einstrahl- / failure angle in particular because the sound velocities in the different materials change more or less pronounced depending on the temperature.
  • the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another.
  • the angle of refraction is determined by SneN's law. The angle of refraction is thus dependent on the ratio of
  • plastic materials e.g. Polyetheretherketone or polyimides used.
  • these tend to absorb water, resulting in the material properties, respectively the speed of sound of a
  • silicates or even glasses of other silicon-containing inorganic materials are less problematic in terms of water absorption than plastic materials. Therefore, they are better suited as material for a coupling wedge.
  • silicates and glasses of inorganic siliceous materials are particularly well suited as a coupling wedge material. They point a thermal expansion, which is much closer to the thermal
  • Coefficient of linear expansion (20 ° C, 300 ° C) ranges from 4.0 4 * 10 "8 K “ 1 to 9.5 4 * 10 "8 K " 1 (static measurement).
  • inorganic materials also higher than plastic materials.
  • the material of the coupling wedge is a so-called heavy flint glass. These have mostly as heavy metal species lead oxide with more than 60 wt.%, Preferably more than 65 wt.%, On.
  • Straight heavy flint glass has an acoustic impedance which is higher than that of plastic, whereby lower losses of signal components can be achieved by reflection.
  • the sound velocities within a glass with high heavy metal contents and particularly preferably of heavy flint glass are relatively low due to the high density. This results in a very favorable angle for the construction of the coupling wedge. This may for example be a 45 °, ie a similar angle as in the previously used plastic coupling wedges
  • An exemplary heavy flint glass, which has just proved particularly suitable for use at temperatures above 130 ° C is a glass of Schott AG, which at the time of the first application present invention the designation RD 50 carries.
  • the density of the RD 50 is 5.05 g / cm 3 .
  • silicates or inorganic glasses each having a proportion of a heavy metal species of more than 50 percent by weight have proven to be advantageous as ultrasonic coupling wedge, which have a density of more than 3.5 g / cm 3 .
  • Glass bodies each having a heavy metal species content of more than 50% by weight are preferably 2500-3500 m / s at 25 ° C.
  • the above-described coupling wedge is preferably in a Messanordung for
  • Flow measurement method is the so-called Laufzeitdifferenz ist- measuring method.
  • the coupling element or the flow body need not be wedge-shaped as a coupling wedge but may be designed as a block, for example as a cylinder, as a rectangle, as a cuboid, as a prism or in another form.
  • the Einstahlwinkel can be 90 °, but the signal can also be introduced at a different angle in the medium.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler, welcher vorgesehen ist zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Meßsignalen, und eine Wandung eines Behältnisses und/oder eines Rohres, wobei i der Ultraschallwandler ein Koppelelement aufweist, über das die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel- bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden, und ii die Anordnung eine Regel-/Auswerteeinheit aufweist, die anhand der Meßsignale bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder Behältnis strömenden Mediums ermittelt und/oder den Füllstand des Mediums in dem Behältnis ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11, 12) aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Glas besteht, und auf ein Clamp-On Ultraschalldurchflussmessgerät

Description

Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler und Clamp-On
Ultraschalldurchflussmessgerät
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler und ein Clamp-On Ultraschalldurchflussmessgerät.
Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach in der Prozeß- und
Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen- und/oder
Massenstrom eines Mediums in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten entweder nach dem Doppier- Prinzip oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeit-Differenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschall-Meßsignalen in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausgewertet. Hierzu werden die
Ultraschall-Meßsignale von den Ultraschallwandlern wechselweise in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausgesendet bzw. empfangen. Aus der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Meßsignale läßt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser der Rohrleitung der Volumendurchfluß bzw. bei bekannter oder gemessener Dichte des Mediums der Massend urch-fluß bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschall-Meßsignale mit einer vorgegebenen Frequenz in das strömende Medium eingekoppelt. Die in dem Medium reflektierten Ultraschall- Meßsignale werden ausgewertet. Anhand einer zwischen dem eingekoppelten und dem reflektierten Ultraschall-Meßsignal auftretenden Frequenzverschiebung läßt sich ebenfalls die Fließgeschwindig-keit des Mediums bzw. der Volumen und/oder
Massenstrom bestimmen.
Der Einsatz von Durchflußmeßgeräten, die nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, ist nur möglich, wenn in dem Medium Luftbläschen oder Verun-reinigungen vorhanden sind, an denen die Ultraschall-Meßsignale reflektiert werden. Damit ist der Einsatz derartiger
Ultraschall-Durchflußmeßgeräte im Vergleich zu den Ultraschall-Durchflußmeßgeräten, die nach dem Laufzeit-Differenz-Prinzip arbeiten, ziemlich eingeschränkt.
Hinsichtlich der Typen von Meßgeräten wird unterschieden zwischen Ultraschall- Durchflußmeßaufnehmern, die in die Rohrleitung eingesetzt werden, und Clamp-On
Durchflußmeßgeräten, bei denen die Ultraschall-wandler von außen an die Rohrleitung mittels eines Spannverschlusses angepreßt werden. Clamp-On Durchflußmeßgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten werden die Ultraschall- Meßsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung bzw. in das Meßrohr, in der/ in dem sich das strömende Medium befindet, eingestrahlt und/oder empfangen. Um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen, werden die Ultraschall-Meßsignale über einen Vorlaufkörper bzw. einen Koppelkeil in die Rohrleitung eingekoppelt bzw. aus der Rohrleitung ausgekoppelt. Hauptbestandteil eines Ultraschallwandlers ist zumindest ein piezoelektrisches Element, welches die Ultraschall-Meßsignale erzeugt und/oder empfängt.
Die in einem piezoelektrischen Element erzeugten Ultraschall-Meßsignale werden über den Koppelkeil bzw. den Vorlaufkörper und - im Falle eine Clamp-On
Durchlflußmeßgeräts - über die Rohrwand in das flüssige Medium geleitet. Da die
Schallgeschwindigkeiten in einer Flüssigkeit und in Kunststoff voneinander verschieden sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem Medium in das andere gebrochen. Der Brechungswinkel selbst bestimmt sich nach dem Snellius Gesetz, d.h der Brechungswinkel beim Übergang von einem Medium in ein anderes Medium ist abhängig von dem
Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten cm , cn der beiden Medien n, m.
Mathematisch läßt sich das Snellius'sche Gesetz bevorzugt gemäß der nachfolgend genannten und gekürzten Formel darstellen: cn I sin an = cm I sin am = const. ( 1 )
Hierbei repräsentiert: cn : die Schallgeschwindigkeit z.B. im Koppelkeil, beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist;
cm : die Schallgeschwindigkeit z. B. im Medium, bei dem es sich beispielsweise um Wasser handelt;
an : den Winkel zwischen dem Schallpfad und dem senkrechten Lot auf die Grenzfläche des Koppelkeils beim Durchstoßpunkt des Ultraschall-Meßsignals durch die Grenzfläche; am : den Winkel zwischen dem Schallpfad und dem senkrechten Lot auf die Grenzfläche des Mediums beim Durchstoßpunkt des Ultraschall-Meßsignals durch die Grenzfläche. Mit zumeist keilförmig ausgebildeten Koppelelementen bzw. Vorlaufkörpern aus
Kunststoff läßt sich i.a. eine gute Impedanzanpassung erzielen; allerdings zeigt die Schallgeschwindigkeit von Kunststoff eine relativ starke Temperaturabhängigkeit.
Typischerweise verändert sich die Schallgeschwindigkeit von Kunststoff von ca. 2500 m/s bei 25° C auf ca. 2200 m/s bei 130° C. Zusätzlich zu der durch die Temperatur hervorgerufenen Änderung der Laufzeit der Ultraschall-Meßsignale im Kunststoff des Koppelkeils, ändert sich auch die Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Meßsignale in dem strömenden Medium. Beide Änderungen wirken sich bei einem nach der
Laufzeitdifferenz-Methode arbeitenden Ultraschall-Durchflußmeßgerät natürlich ungünstig auf die Meßgenauigkeit aus. Hinzu kommt, daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit in gewissen Medien ebenfalls eine starke
Temperaturabhängigkeit aufweist.
Um die Temperaturabhängigkeit der Koppelelemente zu verringern, ist es aus der WO 02/39069 A2 bekannt geworden, das Koppelelement aus mehreren kreisbogenförmigen Segmenten auszubauen. Bevorzugt sind die Segmente aus Metall gefertigt. Die einzelnen Segmente sind getrennt voneinander angeordnet und verlaufen von einer Kontaktebene, die dem piezoelektrischen Element zugewandt ist, bis zu einer
Grundplatte, die mit der Rohrwand in Verbindung steht. Die Länge der einzelnen
Segmente ist dabei so bemessen, daß die Ultraschall-Meßsignale an der Grundplatte unter einem vorgegebenen Winkel abgestrahlt bzw. empfangen werden. Diese
Ausgestaltung ist jedoch relativ aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Clamp-On Ultraschallmeßgerät vorzuschlagen, dessen Meßgenauigkeit relativ unempfindlich auf
Temperaturänderungen des Mediums und/oder der Umgebung reagiert.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser Anordnung umfasst einen Ultraschallwandler und eine Wandung eines Rohres oder eines Behältnisses. Der Ultraschallwandler wird von außen an die einen
durchgehenden Wandungsbereich aufgesetzt. Zur Vermeidung von Luft zwischen dem Ultraschallwandler und der Wandung kann zusätzlich in bekannter Weise ein Koppelfett genutzt werden.
Der Ultraschallwandler ist vorgesehen zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall- Meßsignalen. Üblicherweise ist hierfür zumindest Wandlerelement z.B. ein
piezoelektrisches Wandlerelement, vorgesehen. Diese können einzel oder als sogenannter Stapel mit mehreren Wandlerelementen übereinander angeordnet sein. Sie wandeln eine Spannung in mechanische Bewegungen um und können umgekehrt aus mechanischen Bewegungen eine Spannung erzeugen. Die mechanischen Bewegungen werden in Form von Ultraschallwellen über ein Koppelelement und über die Wandung des Rohres oder des Behältnisses ins Medium abgegeben.
In der überwiegenden Zahl der Fälle ist der Ultraschallwandler bei Anordnung an einem Behältnis einem Füllstandsmessgerät zugeordnet. Da die Erfindung gerade bei heißen Medien besondere Vorteile aufweist, kann es sich bei der Füllstandsmessung um Anwendungsfälle aus dem Bereich der Heißsterilisation oder dergleichen handeln.
In der überwiegenden Zahl der Fälle ist der Ultraschallwandler bei Anordnung an einem Rohr einem Durchflussmessgerät zugeordnet. Der Ultraschallwandler weist ein Koppelelement auf, über das die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel- bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden. Entsprechende Koppelelemente sind bereits seit längerem bekannt. Die Anordnung weist eine Regel-/Auswerteeinheit auf, die anhand von Meßsignalen bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder Behältnis strömenden Mediums oder alternativ oder zusätzlich dazu den Füllstand eines im Behältnisses befindlichen
Mediums ermittelt. Üblicherweise sind der Ultraschallwandler und die Regel- /Auswerteeinheit als eine bauliche Einheit zu verstehen, welche z.B. in einem Ultraschall- Durchflussmessgerät oder einem Füllstandsmessgerät integriert sind.
Das vorgenannte Koppelelement besteht erfindungsgemäß aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Glas. Die Gläser beruhen basieren bevorzugt auf Siliziumdioxid und/oder Silikaten. Sie können allerdings mit einem sehr hohen Grad an Schwermetallspezies angereichert sein. Diese Schwermetallspezies, z.B. Schwermetalloxide, können auch zu über 50 Gew.%, so z.B. 60-70 Gew.%, im siliziumbasierten Glas, enthalten sein. Das Glas ist ein anorganisches Glas und kein Kunststoffglas, wie z.B. Acrylglas. In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das siliziumhaltige Glas zumindest zu 10 Gew.% eine Siliziumspezies wie z.B. Siliziumdioxid oder ein Silikat, vorzugsweise umfasst es zumindest zu 20 Gew.% eine Siliziumspezies. Zusätzlich zu dem einen vorgenannten Koppelelement können auch weitere
Koppelelemente vorgesehen sein, welche unter Form und ggf. auch Materialschluss zu einer Einheit zusammengefasst werden können. Dabei reicht es aus, wenn eines dieser Koppelelemente als Glas- oder Silikatblock ausgestaltet ist.
Schwermetalle im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen alle Metalle mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm3.
Aufgrund der Verwendung eines Blocks aus Glas oder Silikat ist die Aufnahme von Feuchtigkeit z.B. Luftfeuchte durch das Koppelelements bei höheren Temperaturen relativ gering.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Es ist von Vorteil, wenn der Block aus siliziumhaltigen Glas als Koppelkeil ausgestaltet ist. Dies gilt insbesondere bei Anwendung in einem Clamp-On Durchflussmessgerät da der der Winkel unter welchem das Ultraschall-Signal in die Rohrwandung und später auch ins Messmedium eintritt entsprechend genau definierbar ist und sich auch bei Temperaturänderungen nur gering ändert.
Der Koppelkeil kann vorteilhaft einen Winkel von 20-60° aufweisen, wobei ein Scheitel des Winkels die Auflagegläche des Koppelkeils auf das Behältnis und/oder das Rohr ist
Es ist von Vorteil, wenn der Block aus siliziumhaltigen Glas jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent aufweist. Dadurch wird die Dichte des Materials erhöht und auf die restlichen Elemente der Anordnung angepasst. Die Schwermetallspezies ist vorzugsweise ein Metalloxid.
Es ist von Vorteil, wenn der Block aus sliziumhaltigen Glas aus Schwerflintglas besteht. weist eine akustische Impedanz auf, welche höher ist als die von Kunststoff wodurch geringere Verluste von Signalanteilen durch Reflexion erzielbar
Die Dichte des Blocks beträgt vorteilhaft zumindest 3,5 g/cm3, vorzugsweise 4,0 bis 8,5 g/cm3 bei 25°C.
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Blocks liegt vorzugsweise im Bereich von bis maximal 9,5*4*10"8K"1 (statische Messung), insbesondere bis maximal 5*4*10"8K"
1 Der Ultraschallwandler ein schallerzeugendes Ultraschallwandlerelement aufweist, welches formschlüssig auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist. Der
Formschluss kann beispielsweise durch ein Federelement erreicht werden, welches das Wandlerelement gegen das Koppelelement drückt.
Das Ultraschallwandlerelement bzw. das Wandlerelement kann auch materialschlüssig mittels eines Haftvermittlers auf einer Seite des Koppelelements festgelegt sein. Durch die angepasste thermische Ausdehung kommt es nicht bei Temperaturerhöhung zu einem Lösen des Ultraschallwandlerelements.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung der Anordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Positionierung einer Seite des auf einer Wandung eines Rohres und/oder eines Behältnisses mit einer Außentemperatur dieser Wandung von mehr als 130°C. Diese hohen Temperaturen sind üblicherweise problematisch für Koppelelemente.
Ein erfindungsgemäßes Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgerät weist zumindest zwei Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1 - 10 auf. Die Anordnungen können vorzugsweise in einer Ein- oder Zwei-Traversenanordnung ausgestaltet sein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines an sich bekannten Clamp-On Ultraschall- Durchflußmeßgeräts in Zwei-Traversen-Anordnung; und
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Clamp-On
Ultraschallwandlers auf einem Rohr.
In Fig. 1 ist schematisch ein Clamp-On Durchflußmeßgerät 1 in einer sogenannten Zwei- Traversen-Anordnung 10 dargestellt. Das bedeutet für die vorliegende Variante, dass das Signal nach Eintritt ins Medium zweimal den Rohrquerschnitt durchquert, bevor es durch empfangen wird. Es sind auch andere Anordnungen, so z.B. Eintraversenanordnungen, bekannt. Auch diese Anordnungen können im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternativ in gleicher Weise genutzt werden
Das Durchflußmeßgerät 1 ermittelt den Volumendurchfluß und/oder den
Massendurchfluß des Mediums 10 in dem Rohr 7 nach der bekannten Laufzeitdifferenz- Methode. Wesentliche Komponenten des Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgeräts 1 sind die beiden Ultraschallwandler 3, 4 und die Regel-/Auswerteeinheit 9. Die beiden
Ultraschallwandler 3, 4 sind mittels einer in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellten Befestigungsvorrichtung an dem Rohr 7 angebracht. Ent-sprechende
Befestigungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden auch von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Das Rohr 7 mit einem vorgegebenen Innendurchmesser di wird von dem Medium 2 in Strömungsrichtung S durchströmt. Ein Ultraschallwandler 3; 4 umfaßt als wesentliche Bestandteile zumindest ein piezoelektrisches Element 5; 6, das die Ultraschall-Meßsignale erzeugt und/oder empfängt, und einen Koppelkeil bzw. einen Vorlaufkörper 1 1 ; 12. Die Ultraschall- Meßsignale werden über die Koppelkeile 1 1 , 12 in das vom Medium 10 durchströmte Rohr 7 eingekoppelt bzw. aus dem Rohr 7 ausge-koppelt. Die Koppelkeile 1 1 ; 12 legen die Einstrahl- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Meßsignale aus dem Rohr bzw. aus dem Medium fest; darüber dienen sie zur Optimierung der Impedanzanpassung der Ultraschall-Meßsignale beim Übergang in das Rohr 7 bzw. aus dem Rohr 7.
Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind in einem Abstand L voneinander positioniert, wobei der Abstand L so gewählt ist, daß ein möglichst hoher Energieanteile der von einem Ultraschallwandler 3; 4 ausgesendeten Ultraschall-Meßsignale in dem jeweils anderen Ultraschallwandler 4; 3 empfangen wird. Die optimale Positionierung ist abhängig von einer Vielzahl unterschiedlicher System- und/oder Prozeßgrößen. Bei diesen System- und Prozeßgrößen handelt es sich beispielsweise um den
Innendurchmesser di des Rohres 7, um die Dicke der Rohrwand 8, um die
Schallgeschwindigkeit c3 des Materials, aus dem das Rohr 7 gefertigt ist, oder um die
Schall-geschwindigkeit c4 des Mediums 10. Hinzu kommt, daß die Schallgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Materialien wie Koppelkeil, Rohr-wand und Medium eine mehr oder minder starke Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Im gezeigten Fall ist der Abstand L der beiden Ultraschallwandler 3, 4 so bemessen, daß sich die Ultraschall-Meßsignale, die entsprechend der Laufzeitdifferenz-Methode abwechselnd von den beiden Ultraschallwandlern 3, 4 ausgesendet und empfangen werden, über den Schallpfad SP in dem vom Medium 10 durchströmten Rohr 7 ausbreiten. Der Schallpfad SP weist zwei Traversen, also zwei Querungen des Rohres 7 auf. Die Traversen können diametral oder kordial verlaufen. Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers 21 im Schnitt. Der Ultraschallwandler besteht erfindungsgemäß aus zumindest zwei Teilelementen, einem schallerzeugenden Wandlerelement 20, z.B. ein piezoelektrisches Wandlerelement, und einem Koppelkeil 22, auch Vorlaufkörper genannt, der sukzessive von den Ultraschall-Meßsignalen, die von dem Wandlerelement 22 gesendet und/oder empfangen werden, durchlaufen werden.
Der Einkoppel-/Auskoppelwinkel ist im wesentlichen durch die Geometrie des Kopelkeils 22 bestimmt, d.h. die Geometrie des Koppelkeils 22 ist so gewählt, daß möglichst viel Energie die Grenzfläche zwischen dem Koppelkeil 22 und einem von einem Medium 24 durchströmten Rohr 23 passiert. Die Einkopplung bzw. Auskopplung eines hohen Energieanteils des Ultraschall-Meßsignals ist für eine gute Meßgenauigkeit von ausschlag-gebender Wichtigkeit. Um die verläßlichen Meßergebnisse über einen beliebig langen Zeitraum zu erzielen, ist es außerdem wichtig, daß ein festgelegter optimierter Einkoppel-/Auskoppelwinkel nachfolgend auch konstant bleibt. Wie gesagt, führt jede Abweichung von dem vorgegebenen Wert zu einer Verschlechterung der
Meßgenauigkeit. Problematisch ist eine permanente Konstanthaltung des Einstrahl- /Ausfallwinkels insbesondere deshalb, weil sich die Schallgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Materialien mehr oder weniger ausgeprägt in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.
Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich nach dem SneN'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der
Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien.
Üblicherweise werden als Koppelkeil Kunststoffmaterialien, z.B. Polyetheretherketone oder Polyimide eingesetzt. Diese neigen allerdings zur Aufnahme von Wasser, wodurch sich die Materialeigenschaften, respektive die Schallgeschwindigkeit eines
Ultraschallsignals im Material, ändert.
Wie sich gezeigt hat, sind Silikate oder auch Gläser aus anderen siliziumhaltigen anorganischen Materialien weniger problematisch bezüglich der Wasseraufnahme als Kunststoffmaterialien. Daher eignen Sie sich besser als Material für einen Koppelkeil.
Aufgrund ihrer hohen Dichte eignen sich Silikate und Gläser aus anorganischen siliziumhaltigen Materialien jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent besonders gut als Material für einen Koppelkeil. Sie weisen eine thermische Ausdehnung aus, welche wesentlich näher der thermischen
Ausdehnung eines piezoelektrischen Wandlerelements entspricht als bei den bisher bekannten Kunststoffkoppelkeilen. Dadurch kann ein Wandlerelement auf den Koppelkeil geklebt werden, ohne dass sich dieses aufgrund unterschiedlicher thermischer
Ausdehnungen vom Koppelkeil löst. Ein bevorzugter mittlerer thermischer
Längenausdehnungskoeffizient (20°C, 300°C) liegt im Bereich von 4,0 4*10"8K"1 bis 9,5 4*10"8K"1 (statische Messung).
Die thermische Stabilität ist bei Silikaten oder Gläsern aus siliziumhaltigen
anorganischen Materialien ebenfalls höher als bei Kunststoffmaterialien.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Material des Koppelkeils um ein sogenanntes Schwerflintglas. Diese weisen zumeist als Schwermetallspezies Bleioxid mit mehr als 60 Gew.%, vorzugsweise mehr als 65 Gew.%, auf.
Gerade Schwerflintglas weist eine akustische Impedanz auf, welche höher ist als die von Kunststoff wodurch geringere Verluste von Signalanteilen durch Reflexion erzielbar sind.
Die Schallgeschwindigkeiten innerhalb eines Glases mit hohen Schwermetallanteilen und besonders bevorzugt von Schwerflintglas sind aufgrund der hohen Dichte relativ gering. Daraus ergibt sich ein sehr günstiger Winkel für den Aufbau des Koppelkeils. Dies kann beispielsweise ein 45° sein, also ein ähnlicher Winkel wie bei den bisher genutzten Kunststoff-Koppelkeilen Ein beispielhaftes Schwerflintglas, welches sich gerade für den Einsatz bei Temperaturen von über 130°C als besonders gut erwiesen hat ist ein Glas der Schott AG, welches zum Zeitpunkt der Erstanmeldung vorliegenden Erfindung die Bezeichnung RD 50 trägt.
Die Dichte des RD 50 beträgt 5,05 g/cm3. Es haben sich allerdings auch Silikate oder anorganische Gläser jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent als vorteilhaft als Ultraschallkoppelkeil erwiesen, welche eine Dichte von mehr als 3,5 g/cm3 aufweisen. Besonders gleichbleibend gute schallleitende
Eigenschaften auch bei Temperaturen von über 100°C weisen siliziumhaltige Gläser jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent auf, welche eine Dichte zwischen 4 - 6 g/cm3 aufweisen. Die vorgenannten Dichten können beispielsweise mittels eines Pyknometers bei 25°C in Wasser bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ zu Bleispezies können auch andere Metallspezies dem Glas zugesetzt werden. Dies sind vorzugsweise Metalloxide, wie z.B. Wolframoxid.
Typische Schallgeschwindigkeiten innerhalb der vorgenannten keilförmigen anorg. Glaskörper jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent betragen vorzugsweise 2500-3500 m/s bei 25°C.
Der vorbeschriebene Koppelkeil wird vorzugsweise in einer Messanordung zur
Ultraschall-Durchflussmessung eingesetzt. Das bevorzugt-angewandte
Durchflussmessungsverfahren ist dabei das sogenannte Laufzeitdifferenzbetrieb- Messverfahren.
Es ist jedoch auch möglich den Füllstand z.B. von heißen Medien in einem Rohr oder einem Behältnis mittels der vorgenannten Ultraschall-Anordnung zu bestimmen. In diesem Fall braucht das Koppelelement bzw. der Vorlaufkörper nicht als Koppelkeil also keilförmig ausgebildet zu sein sondern kann als Block z.B als Zylinder, als Rechteck, als Quader, als Prisma oder in einer anderen Form ausgestaltet sein. Gleiches gilt für die Durchflussmessung nach dem Dopplerverfahren hier kann der Einstahlwinkel 90° sein, das Signal kann allerdings auch unter einem anderen Winkel ins Medium eingeleitet werden.
Bezugszeichenliste Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgerät Medium
Ultraschallwandler
Ultraschallwandler
Piezoelektrisches Element
Piezoelektrisches Element
Rohr / Behältnis
Rohrwand
Regel-/Auswerteeinheit
Zwei-Traversenanordnung
Koppelelement / Vorlaufkörper
Koppelelement / Vorlaufkörper Wandlerelement
Ultraschallwandler
Koppelkeil
Rohr
Medium

Claims

Patentansprüche
Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler, welcher vorgesehen ist zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Meßsignalen, und eine Wandung eines Behältnisses und/oder eines Rohres,
wobei
i der Ultraschallwandler ein Koppelelement aufweist, über das die
Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel- bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden, und ii die Anordnung eine Regel-/Auswerteeinheit aufweist, die anhand der Meßsignale bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind,
den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder
Behältnis strömenden Mediums ermittelt
und/oder
den Füllstand des Mediums in dem Behältnis ermittelt ,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Koppelelement (1 1 , 12) aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Gl: besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
der Block aus siliziumhaltigen Glas als Koppelkeil ausgestaltet ist..
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Block aus siliziumhaltigen Glas jeweils mit einem Anteil an einer
Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent aufweist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das siliziumhaltige Glas als Schwerflintglas ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dichte des Blocks zumindest 3,5 g/cm3, vorzugsweise 4,0 bis 8,5 g/cm3 bei 25°C beträgt.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schwermetallspezies ein Metalloxid ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Blocks im Bereich von bis maximal 9,5 4*10"8K"1 (statische Messung), vorzugsweise kleiner 5*10"8K"1 liegt.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler ein schallerzeugendes
Ultraschallwandlerelement aufweist, welches Formschlüssig auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Ultraschallwandlerelement auch materialschlüssig mittels eines Haftvermittlers auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist.
10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelkeil einen Winkel von 20-60° aufweist, wobei ein Scheitel des Winkels die Auflagegläche des Koppelkeils auf das Behältnis und/oder das Rohr ist.
1 1. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionierung einer Seite des auf einer Wandung eines Rohres und/oder eines Behältnisses mit einer Außentemperatur dieser Wandung von mehr als 130°C.
12. Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgerät mit zumindest zwei Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1 - 10.
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