WO2019001761A1 - Messeinrichtung und verfahren zur ermittlung einer fluidgrösse - Google Patents

Messeinrichtung und verfahren zur ermittlung einer fluidgrösse Download PDF

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WO2019001761A1
WO2019001761A1 PCT/EP2018/000303 EP2018000303W WO2019001761A1 WO 2019001761 A1 WO2019001761 A1 WO 2019001761A1 EP 2018000303 W EP2018000303 W EP 2018000303W WO 2019001761 A1 WO2019001761 A1 WO 2019001761A1
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WO
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measuring tube
fluid
guided wave
ultrasonic transducer
support structure
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PCT/EP2018/000303
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English (en)
French (fr)
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Peter Ploss
Michael MAYLE
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Diehl Metering Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/712—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for determining a fluid quantity concerning a fluid and / or a fluid flow of the fluid with a control device, a measuring tube receiving the fluid and / or a flow-through measuring tube and a first and a second spaced apart arranged on the measuring tube ultrasonic transducer, wherein the control means of the first and / or the second ultrasound transducer are driven to excite a guided through a side wall of the measuring tube shaft, wherein the guided wave stimulates compression oscillations of the fluid via the fluid to the respective Other ultrasonic transducers can be guided and detected there by the control device for determining measured data, wherein the fluid size can be determined by the control device as a function of the measured data.
  • the invention relates to a method for determining a fluid size.
  • ultrasonic counters One way to measure a flow through a measuring tube, are ultrasonic counters.
  • at least one ultrasonic transducer is used to couple an ultrasonic wave into the fluid flowing through the measuring tube, whereby it is guided on a straight path or after several reflections on walls or special reflector elements to a second ultrasonic transducer. From the transit time of the ultrasonic wave between the ultrasonic transducers or from a transit time difference at a permutation of transmitter and receiver, a flow rate through the measuring tube can be determined.
  • US Pat. No. 4,735,097 A proposes to use ultrasonic transducers for simplifying the measurement setup, which are fastened to the outside of the measuring tube. These are used to induce guided waves in the measuring tube, whereby a lower accuracy in the arrangement of the ultrasonic transducers on the measuring tube is required.
  • a wedge-shaped element is used whose longest side is pressed onto the tube wall and at the shortest side of which a piezoelectric element is arranged. This is vibrated to induce a guided wave in the tube wall via the wedge-shaped element.
  • the disadvantage here is that the used measurement setup is relatively complex and large-scale construction. It is thus in many measurement situations in which a flow measurement is desired, not or only with great effort available.
  • due to the use of the additional wedge-shaped element only a low degree of efficiency of the vibration coupling is achieved, whereby the exciting piezoelectric element must be relatively large.
  • excitation of a model pure guided wave is highly relevant for use in an ultrasound counter because the angle at which compression vibrations are radiated into the fluid depends on the phase velocity of the guided wave, which is typically different in different excitation modes at the same excited frequency.
  • phase velocity of the guided wave which is typically different in different excitation modes at the same excited frequency.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a measuring device that uses guided waves for the measurement, with a small space requirement and a simple structure to be realized and preferably as modest as possible excitation of guided waves to be achieved.
  • first and / or the second ultrasonic transducer each comprise a vibrating element, which, in particular exclusively, in a plurality of spaced contact areas of the vibrating element with the measuring tube or is coupled with a support structure arranged between the measuring tube and the oscillating element,
  • first and / or the second ultrasonic transducer in each case a plurality
  • Oscillation elements comprise, which, in particular exclusively, in coupled contact areas of the measuring tube or a support structure connected to the measuring tube are coupled to the measuring tube or the support structure.
  • a vibrating element directly or indirectly to the measuring tube in mutually spaced contact areas or to use a plurality of vibrating elements in order to excite it or the supporting structure in a plurality of spaced-apart contact areas.
  • a locally inhomogeneous excitation of the measuring tube or that side wall which is to lead the guided wave.
  • Such an inhomogeneous excitation can be used to deliberately stimulate specific vibration modes of the side wall or of the measuring tube, in particular vibration modes of Lamb or Rayleigh waves, with high mode purity. This can be achieved by tuning the used excitation pattern to a wavelength of a guided wave to be excited.
  • the wavelength of the oscillation of the oscillating element is not relevant or only slightly relevant for the achievable mode purity. It is thus only necessary for excitation of a guided wave with a high mode purity to tune the excitation frequency to the wavelength of the guided wave to be generated or the arrangement of the contact areas. It is thus possible to choose a vibration shape of the oscillating element or of the oscillating elements, which enables the best possible coupling of the vibrational energy into the sidewall.
  • a contraction or expansion oscillation is used perpendicular to the side wall.
  • the oscillating element or each oscillating element has two opposing electrodes, one of the electrodes being arranged on a measuring tube side of the respective oscillating element and the other on an opposite side.
  • a first electrode may also be arranged on a first side surface
  • a second electrode may be predominantly arranged on the opposite side surface, however, encompassing the oscillating element and bearing against the first side surface with a relatively short contact section. This can allow easy contacting of an electrode. borrowed, which is arranged primarily on a side facing the measuring tube side of the vibrating element.
  • the oscillating element or all oscillating elements can in particular be formed from piezoceramic and have at least two electrodes, which are preferably arranged as explained above.
  • the vibrating element or each vibrating element can be cuboid and have two side surfaces which run parallel to the side wall or at least the outer surface of the side wall.
  • Measurements can be made on a fluid flow flowing through the measuring tube, but also on a fluid in the measuring tube.
  • the measuring device can also have more than two vibration transducers.
  • a vibration emitted by a first vibration transducer may be detected by a plurality of second vibration transducers, e.g. to consider different propagation paths or to validate measurement data.
  • the use of a vibration transport for detecting fluid properties is known in principle in the prior art. For example, in ultrasound counters, transit time differences of a transit time of a vibration between a first and a second ultrasound transducer and vice versa are often detected and from this a flow velocity can be determined. However, other measurement data can also be evaluated to determine fluid properties.
  • a signal amplitude at the receiving vibration transducer can be evaluated to detect a damping of the vibration during transport through the fluid.
  • Amplitudes can also be evaluated frequency-dependent and absolute or relative amplitudes of specific spectral ranges can be evaluated in order to detect a spectrally different damping behavior in the fluid.
  • Phase relationships of different frequency bands can also be evaluated in order, for example, to obtain information about the dispersion relation in the fluid.
  • a flow rate and / or a flow volume and / or a density temperature and / or viscosity of the fluid can be determined as fluid quantities.
  • a speed of sound in the fluid and / or a composition of the fluid for example, a mixing ratio of different components, determined become.
  • Various approaches for obtaining these fluid quantities from the above-explained measured variables are known in the prior art and are therefore not to be shown in detail.
  • relationships between one or more measured variables and the fluid size can be determined empirically, and it is possible, for example, to use a look-up table or a corresponding formula to determine the fluid size.
  • the coupling of the vibrating element to the measuring tube can be done directly or indirectly.
  • the coupling preferably takes place via the support structure and / or via at least one viscous intermediate layer.
  • the support structure may be coupled directly or indirectly to the measuring tube or the vibrating element, preferably via a viscous intermediate layer.
  • the vibrating element may, for. Example, a piezoelectric vibrating element, an electromagnetic transducer, a capacitive micromechanical ultrasonic transducer or an electroactive polymer.
  • the support structure may be formed separately from the measuring tube.
  • An acoustic impedance of the support structure may be chosen such that it lies between the acoustic impedance of the vibrating element and the acoustic impedance of the side wall, whereby reflections at the transition surfaces can be reduced and a more efficient vibration coupling can be achieved.
  • the support structure can be produced for example by milling, laser cutting, punching, injection molding or the like.
  • the support structure may be formed, for example, of plastic.
  • the support structure may be formed of a filled plastic. These are particles, eg. As metal particles embedded in a plastic matrix. By selecting the particles and / or the particle concentration, the acoustic impedance of the support structure can be adjusted.
  • the vibrating element or the vibrating elements are to be coupled to the measuring tube directly or via a viscous intermediate layer without a separate supporting structure, it is possible to form the surface of the sidewall facing the vibrating element or the respective vibrating element in such a way that the vibrating element or the vibrating element giata is coupled only in the contact areas with the measuring tube or are.
  • projections or recesses may be provided on the side wall.
  • oscillating elements are preferably controlled jointly.
  • the same drive signal can be supplied from the control device to the electrodes of the various oscillating elements.
  • the oscillating elements can be connected in parallel or all of their measuring tube-side electrodes can be conductively connected and / or all their measuring tube facing away electrodes can be conductively connected.
  • the oscillating elements jointly carry the same
  • the distance between the centers of at least two contact regions of the first and / or the second ultrasonic transducer in the propagation direction of the guided wave can correspond to an integer multiple of the wavelength of the guided wave.
  • the distance may be equal to the wavelength, twice the wavelength, etc.
  • the control device can control the oscillating element or the oscillating elements such that they oscillate at a defined frequency, wherein the frequency of the guided wave can correspond to the frequency of the oscillation of the oscillating elements.
  • the measuring device is constructively designed in such a way that an essentially pure mode excitation occurs at one frequency, an excitation with a defined wavelength also takes place.
  • the excitation frequency as a function of certain parameters, for example a measured temperature, in order to compensate for a temperature dependence, for example, of the resonant frequency of the vibrating element or of the vibrating elements and / or of a mode structure of the excited sidewall.
  • the propagation direction can be the same over the entire width of the side wall or of the or the vibrating elements. This may be the case, for example, if the contact areas are formed by parallel rectangular areas. However, it is also possible that the emission direction varies locally. For example, curved contact areas are used, wherein the different excitation or contact areas are preferably parallel to each other. In this case, for example, the propagation direction can always be perpendicular to an edge of the contact regions.
  • the spacings of the centers of the contact regions are selected as explained above, and the interconnection or activation of the oscillating elements takes place in such a way that they vibrate synchronously, then guided waves whose wavelength corresponds to this distance or to an integral divider of this distance, that is to say in particular for the lamb wave to be excited, a constructive interference.
  • the spaced contact areas thus act as a type of wavelength-based bandpass filter for the excited guided waves. If excitation occurs at a frequency at which different oscillation modes of the sidewall have sufficiently large wavelength differences, then a mode-selective excitation can be achieved approximately.
  • more than two contact areas can be used, the centers of which each have the same distances from each other.
  • the mode purity of the excitation can be further improved.
  • care must be taken here that preferably none of the distances of different centers of the contact regions corresponds to an integer multiple of a wavelength of another oscillation mode of the sidewall with the same frequency.
  • a guided wave is excited at a frequency for which, according to the dispersion relation of the sidewall, exactly two oscillation modes or at least two oscillation modes exist with different wavelengths, the wavelength of the second mode being twice the wavelength of the first mode. If the distance of the centers of the contact regions is now selected such that it is an odd integer multiple of the first wavelength, constructive interference results for the oscillation mode having the first wavelength. At the same time results in a destructive interference for the vibration mode with the second wavelength, since for this excitation takes place with a distance of half the second wavelength, resulting in a phase shift of 180 ° and thus an extinction results. By selecting such an operating point, a destructive interference for a second excitable mode and thus a higher mode purity can thus be achieved in a targeted manner.
  • the frequency of the excited guided wave can be selected by selecting the oscillation frequency of the vibrating element or the vibrating elements are specified.
  • the control device can thus be set up to control the vibrating element or the vibrating elements in such a way that they oscillate at a defined frequency which corresponds to the operating point described above.
  • the frequency of the guided wave may be equal to a resonance frequency of the vibrating element or the vibrating elements.
  • all the oscillating elements have the same resonant frequency.
  • the resonant frequency of the vibrating element or the vibrating elements can be adjusted by, for example, that a thickness of the oscillating element is chosen to be perpendicular to the side wall at given dimensions parallel to the side wall 1, to set a desired resonance frequency.
  • An excitation of the vibrating element or the vibrating elements at its or their resonant frequency leads to a particularly efficient vibration excitation at a defined vibration frequency.
  • the ultrasonic transducer can thus be set up to excite a guided surface wave with a defined frequency and in particular a defined wavelength with high efficiency.
  • a mode selectivity of the excitation is achieved with the procedure described above, at the same time a propagation of the guided wave necessarily results at least in two opposite propagation directions. In individual cases this can lead to a disruption of the measuring process or a certain part of the excitation energy can be lost and not used for the measurement. It may therefore be advantageous to design the measuring device in such a way that propagation of the guided wave is amplified or takes place exclusively in one direction or on one side in a specific spatial angle range.
  • the distance between the centers of the two contact regions in the propagation direction of the guided wave is the sum of an integer multiple of the wavelength and a quarter of the wavelength of the guided wave.
  • the spacing may be 1.25 times, 2.25 times, or 3.25 times the wavelength.
  • ⁇ is the wavelength
  • x the distance from the excitation location
  • t the time
  • An overlay ie a sum of the two waves, can be calculated by trigonometric transformation, with the following result:
  • a superimposition of the two guided waves thus results in a guided wave which propagates exclusively in a propagation direction, since for this propagation direction a constructive interference results and for the opposite propagation direction a destructive interference.
  • a phase shift for the excitation can be realized by using viscous layers or support structures with different expansions or of different materials.
  • the extension of a support structure associated with one of the contact areas perpendicular to the side wall may have a dimension such that the vibration excited in this support structure takes an additional time equal to four times the frequency of sweeping to reach the side wall .
  • the measuring tube side and / or measuring off-electrode electrodes are coupled by a plurality of vibrating elements via a capacitor or the like.
  • the first and / or the second ultrasonic transducer may each comprise a plurality of piezoelectric oscillating elements, wherein the oscillating elements are coupled to the measuring tube via a respective or a common support structure.
  • the support structure or the support structures can contact the measuring tube exclusively in the contact areas.
  • the oscillating elements may be arranged spaced apart on a common support structure.
  • the support structure may comprise at least two spaced-apart ribs which are connected by connecting portions, wherein the vibrating element or the vibrating elements rest exclusively on the ribs.
  • the ribs can contact the vibrating element and / or the measuring tube exclusively in the contact area.
  • the ribs may form a comb-like structure on which the vibrating element rests or which rests on the side surface.
  • the ribs may for example have a rectangular or trapezoidal cross-section.
  • the trapezoidal shape can be chosen so that the longer side of the trapezoid is applied to the vibrating element, which may under certain circumstances a more efficient vibration coupling can be achieved.
  • the ribs may extend perpendicular to the propagation direction of the guided wave.
  • a single rib may each be associated with a single contact area.
  • the measuring device can be configured such that the first and / or the second ultrasonic transducer emit the guided wave in a solid angle range or that, when excited over a certain width, the guided wave is focused.
  • the propagation direction at different points of the measuring device in particular in the direction of the width of the side wall, ie perpendicular to a direction in which the fluid flows through the measuring tube, locally different.
  • Ribs In this case, they may each be perpendicular to the direction of propagation along their extension in the individual regions, that is to say they may be curved.
  • the measuring tube may have a contact structure which has a plurality of projections and / or at least one recess, wherein the contact regions can be arranged exclusively in the region of the projections and / or outside the region of the recess.
  • Structures can be formed by means of these recesses or projections, as described above with regard to the support structure, for example ribs which are spaced apart from one another in the direction of propagation and which extend in particular perpendicularly to the propagation direction.
  • the oscillating elements can be arranged directly or via a viscous layer on the measuring tube.
  • a flat side surface of the vibrating element or the vibrating elements may rest directly or via the viscous layer on the protrusions or on the side wall outside the region of the recesses.
  • the contact regions can each have a constant length in the propagation direction of the guided wave and / or all contact regions can have an identical predetermined width perpendicular to the excitation direction.
  • the contact areas can be realized by ribs with the shapes described above, which rest exclusively in the corresponding areas on the side wall or on the vibrating element. It is possible that the contact areas are curved. Starting from a center point, in particular in the direction of the width of the side wall, the lateral ends of the contact areas in the direction of propagation can lie in front of or behind this center point. Thus, a locally different propagation direction is realized. This can serve to radiate or focus the guided wave into a specific emission angle.
  • the curvature may have a fixed radius of curvature, which may for example be greater than the width of the side wall of the measuring tube perpendicular to a flow direction and / or less than ten times or a hundred times this width.
  • the oscillating element or the oscillating elements can be coupled to the measuring tube or the or the respective support structure via a viscous layer and / or the support structure or the support structures can be coupled to the measuring tube via a viscous layer.
  • This layer may have a viscosity of less than 10 8 mPas (millipascal seconds), in particular a viscosity of between 0.6 mPas and 10 6 mPas.
  • a silicone oil can be used as a viscous coupling layer whose properties can be further adjusted by additives, such as introduced particles.
  • the layer thickness of the coupling layer can be between 10 ⁇ m and 100 m.
  • the advantage is achieved that stresses between the transducer and the measuring tube are avoided with a change in temperature.
  • the measuring tube which is formed for example of metal or plastic
  • the vibration element which may consist of a piezo ceramic with applied electrodes, different thermal
  • the viscous layer may be electrically conductive.
  • a measuring tube-side electrode of the vibrating element or of the vibrating elements can be contacted via the viscous layer.
  • the viscous layer may have a conductivity of more than 1 S / m (Siemens / meter), in particular more than 0 3 S / m. Preferably, even greater conductivities are realized. However, the said relatively low conductivities may be sufficient since no large currents have to be transported.
  • the viscous layer may contain metallic particles. On the one hand, this can serve to produce the abovementioned conductivity; on the other hand, the viscosity of the layer can be adjusted as required by adding particles.
  • the support structure may be formed as a portion of a supporting frame disposed on the measuring tube, which carries the vibrating element or the respective vibrating element or elements, wherein formed by the support frame at least one coupling portion, wherein the support frame apart from the coupling portion of the vibrating element or the vibrating elements and / or from the side wall of the measuring tube, into which the guided wave is to be coupled, is spaced.
  • the support frame forms a plurality of coupling portions.
  • the coupling portion or the coupling portions may form the respective support structure.
  • the spacing of the other sections from the side wall or the oscillating element or the oscillating elements can be sufficiently large that even a respective viscous layer is not contacted, as far as it is present.
  • the coupling sections abut in particular in the contact region on the oscillating element or the side wall.
  • the use of such a support frame allows a simple and robust construction of the measuring device.
  • the support frame can be made of plastic, for example. Manufacturing can be done by milling, laser cutting, stamping, injection molding or the like.
  • the support frame may have at least one latching element in order to lock the oscillating element or the respective oscillating element or the oscillating elements to the support frame.
  • latching noses of two or more sides can engage the or the vibrating elements.
  • the support frame may additionally or alternatively comprise at least one projection which engages in a recess of the measuring tube or vice versa. This can serve to determine the position of the support frame on the measuring tube and in particular also the position of the oscillating element or of the oscillating elements with respect to the measuring tube.
  • recesses may be provided on two opposite sections of the measuring tube side wall or two opposite side walls of the measuring tube, in which a respective projection engages, in particular engages.
  • the support structure and / or the projections and / or the recess of the measuring tube may have an extension perpendicular to the side wall of the measuring tube, in which the guided wave is to be coupled, which is at most half as large as the wavelength of that wave in the material of Support structure or the side wall, which has the same frequency as the guided wave. If the expansion is half the wavelength, a narrow-band resonant coupling of the oscillation takes place, as a result of which high degrees of efficiency of the coupling can be achieved. Alternatively, it is possible to use relatively small dimensions, so that a non-resonant vibration transmission takes place. For example, the expansion may be smaller by a factor of 3, 5 or 10 than the wavelength.
  • the length of the support structure and / or the protrusion and / or the recess in the direction of propagation of the guided wave may preferably be between one-half and one-eighth the wavelength of the guided wave. However, it is also possible that the length in the propagation direction is approximately the same as the wavelength of the guided wavelength. In this case, it is advantageous to choose distances of the contact regions which are significantly larger than the wavelength of the guided wave, for example, twice as large or 2.25 times as large.
  • the invention relates to a method for determining a fluid size relating to a fluid and / or a fluid flow with a measuring device comprising a control device, a measuring tube receiving the fluid and / or a flow-through measuring tube and a first and a second one spaced apart on the measuring tube arranged ultrasonic transducer, wherein the control means of the first and / or the second ultrasonic transducer are driven to excite a guided through a side wall of the measuring tube shaft, wherein the guided wave stimulates compression oscillations of the fluid via the fluid to the respective be guided by the control device for determining measured data, wherein the fluid size is determined by the control device in dependence of the measured data, wherein the first and / or the second ultrasonic transducer in each case a rocker Lement by which, in particular exclusively, via a plurality of spaced-apart contact areas of the vibrating element oscillations in the measuring tube or in a arranged between the measuring tube and the vibrating
  • a measuring device 1 for determining a fluid quantity which relates to a fluid and / or a fluid flow.
  • the fluid is guided through an interior 4 of a measuring tube 3 in a direction shown by the arrow 7.
  • a time difference between the transit times of a first ultrasonic transducer 5 to a second ultrasonic transducer 6 and vice versa can be determined by the control device 2.
  • this transit time depends on a velocity component of the fluid parallel to a propagation direction of an ultrasound beam 8 through the fluid. From this transit time, a flow velocity averaged over the path of the respective ultrasound beam 8 in the direction of the respective ultrasound beam 8 and thus approximately an averaged flow velocity in the volume traversed by the ultrasound beam 8 can be determined.
  • the guided by the ultrasonic transducer 5 in the side wall 9 guided wave is shown schematically by the arrow 11.
  • the guided wave excites compressive oscillations of the fluid, which in the entire propagation path of the guided Wave are radiated into the fluid.
  • This is shown schematically by the ultrasound beams 8 offset from one another in the direction of flow.
  • the emitted ultrasonic beams 8 are reflected on the opposite side wall 12 and guided back to the side wall 9 via the fluid.
  • the incident ultrasonic beams 8 again excite a guided wave in the side wall 9, which is schematically represented by the arrow 13 and which can be detected by the ultrasonic transducer 6 in order to determine the transit time.
  • the ultrasound beams 8 are not reflected on their path to the ultrasound transducer 6, 15 or only once on the side walls 9, 12. It would of course be possible to use a longer measuring section, wherein the ultrasonic beams 8 are reflected several times on the side walls 9, 12.
  • the ultrasonic transducer comprises a piezoelectric vibrating element 16, which is preferably formed as a block-shaped block of piezoceramic, which is contacted via electrodes, not shown.
  • a piezoelectric vibrating element 16 In order to generate a fashion-pure stimulus are rich, is to be impressed by the connection of this vibrating element 16 with the side wall 9 of the guided wave a certain wavelength. This is achieved in that the oscillating element 16 is coupled to the side wall 9 via a support structure 19, wherein the oscillating element 16 is coupled to the support structure 19 exclusively in two contact areas 17, 18 spaced apart from one another.
  • the coupling between the support structure 19 and the vibrating element 16 or the wall 9 takes place in each case via a viscous layer 29, 30.
  • This layer can consist for example of a silicone oil.
  • Particles 31, in particular metal particles, may be provided in the layer in order to adjust the viscosity of the layer. When using metal particles or other conductive particles 31, these particles 31 can also serve to realize a specific conductivity of the viscous layers 29, 30. This can be advantageous since an electrode on the measuring tube facing side 25 of the vibrating element 16 is often difficult to access and thus, for example, contacting of this electrode via the viscous layer 30 can take place.
  • a vibration coupling via the viscous layers 29, 30 results in shear forces being transmitted via these couplings only to a limited extent or not at all. This is particularly advantageous when, for example, different extensions of the vibrating element 6 and the side wall 9 occur during temperature changes, which could, for example, occur in a bond tension that could damage this bond long term.
  • the structure of the support structure 19 can be seen in particular in Fig. 3 well. Those areas of the support structure 19, which lie in the view shown below the vibrating element 16, so the contact areas 7, 8, are shown in dashed lines.
  • the support structure 19 has two spaced apart ribs 26, 27 which are interconnected by kausabschnit- 28.
  • the vibrating element 16 rests exclusively on the ribs 26, 27.
  • the excitation of the guided wave can be effected by exciting an expansion or compression oscillation of the oscillating element 16, which is schematically represented by the double arrow 23 in FIG. 2.
  • electrodes on the side facing the measuring tube 25 and the side 24 of the oscillating element 16 facing away from the measuring tube can be acted upon by the control device 2 with a time-variable potential difference be, depending on the potential difference, an expansion or Kompres ⁇ sion of the vibrating element 16 in the vertical direction in Fig. 2 takes place. Due to the use of the support structure 19, this oscillation perpendicular to the side wall is coupled into the side wall 9 exclusively in the region of the ribs 26, 27.
  • the ribs 26, 27 are constructed essentially the same and are coupled to the oscillating element 16 and the side wall 9, so that in each case an in-phase excitation of guided waves takes place in the region of the ribs 26, 27.
  • the two guided waves induced in the region of the ribs 26, 27 are superimposed in the side wall 9. If the distance 20 between the centers 21, 22 of the contact regions 17, 18 is now selected such that it corresponds to the wavelength of a particular desired mode of the guided wave in the side wall 9 or an integral multiple thereof, the guided waves of this mode will interfere constructively , Wavelength modes which are not integer dividers of the distance 20 are not coupled into the sidewall 9 with a constructive interference and thus with a significantly lower amplitude. By an adapted to the wavelength of the desired mode support structure thus excitation of unwanted modes can be largely suppressed.
  • the frequency of the guided wave to be excited can in principle be predetermined freely by a corresponding activation by the control device 2. However, in order to achieve efficient excitation, it is preferable to excite a guided wave having a frequency equal to a resonant frequency of the vibrating element 16.
  • a guided wave having a frequency equal to a resonant frequency of the vibrating element 16.
  • the vibrating member 16 can be configured so that its resonant frequency corresponds to this oscillation frequency, whereby the corresponding guided wave can be excited with high efficiency.
  • the wavelength is specified via the design of the support structure or via the choice of the distance 20 between the centers 21, 22 of the contact regions 17, 18.
  • the length of the contact regions 17, 18 in the direction shown by the arrow 11. ⁇ propagation direction of the guided wave, that is the width of the ribs 26, 27 may be between one eighth and one half of the wavelength of the guided wave to be excited. It is also possible that the length of the contact regions 17, 18 is approximately the same as the wavelength of the guided wave to be excited, in which case the distance 20 between the centers 21, 22 is preferably at least twice the wavelength.
  • the measuring tube 3 may be composed of a plurality of substantially straight side walls. However, it is also possible to use the procedure described in substantially circular measuring tubes, wherein a side surface on which the ultrasonic transducers 5, 6 are arranged, at least on the outside surface side may be flattened. Alternatively, the outside can also be curved, and the side of the ultrasound transducer 5, 6 facing the measuring tube 3 can abut against this curved surface. For example, a round measuring tube 3 can be used.
  • the support structure 19 projects beyond this side wall 9.
  • a shorter support structure in the vertical direction in FIG. 3 which rests completely on the side wall 9 or at least does not extend beyond the region of the side wall 9.
  • the support structure 19 or the coupling between the support structure 19 and the oscillation element 16 or the side wall 9 such that a specific phase offset is realized in a targeted manner.
  • the thickness of the ribs 26, 27 are adapted perpendicular to the side wall 9 and / or the ribs 26, 27 may be formed of different material, so that the duration of the coupled oscillation for the two ribs 26, 27 is different.
  • a construction in which the excitation in the region of the first and second ribs 26, 27 with a phase offset of 90 ° is made, and the distance 20 between the ribs 26, 27 is chosen so that it is the sum of an integer multiple of the wavelength and a quarter of the wavelength of the guided wave to be generated, then a superposition of the two coupled guided waves results such that the component of the guided wave running to the left in FIGS. 1 to 3 is extinguished and only the component running to the right remains, or vice versa.
  • a directionally selective excitation of guided waves can take place, which may be expedient in order to avoid unwanted multipath propagation and, in addition, to increase the efficiency of the coupling in for the desired propagation path.
  • FIG. 4 shows an alternative construction for the ultrasound transducer 5, which differs from the structure shown in FIGS. 2 and 3 with respect to the utilized support structure 32.
  • the support structure 32 in this case has three ribs 33, which contact the oscillating element 16 or the measuring tube 9 in a respective contact region 36.
  • the distances 20 between the centers of these contact regions 36 are again integer multiples of the wavelength of the guided wave to be excited.
  • the ribs 33 are curved.
  • the propagation direction of the guided wave along the fins 33 is locally different. As shown by the arrows 34, 37, this results in an emission direction radiation of the guided wave in an opening angle range and in the other direction of radiation focusing of the guided wave.
  • FIG. 5 shows a further possibility for constructing the ultrasonic transducer 5.
  • the support structure in this exemplary embodiment is formed of separate components 38 which are not connected via connecting sections.
  • connecting sections facilitates the arrangement of the individual components on the measuring tube, these connecting sections are not required for the described function.
  • FIG. 6 shows a further alternative construction of the ultrasonic transducer 5.
  • the structure largely corresponds to the structure shown in FIGS. 2 and 3, wherein separate oscillating elements 39, 40 are used instead of a common oscillating element 16, which rests on both ribs 26, 27 of the supporting structure 19.
  • the ultrasound transducer 5 has a plurality of piezoelectric oscillating elements 39, 40 which are arranged in contact areas 41, 42 which are spaced apart from one another with the measuring tube 3 or the side wall 9 are coupled.
  • the two oscillating elements 39, 40 can be controlled jointly by the control device 2.
  • the two electrodes facing away from the measuring tube and / or the two measuring tube facing electrodes of the oscillating elements 39, 40 are each connected to each other. It can thus be a phase-synchronized excitation of the vibrating elements 39, 40 done.
  • Fig. 7 shows a way to fasten the ultrasonic transducer 5 robust to the measuring tube.
  • a support frame 44 is used, which forms the support structure 43 in a portion of the support frame 44.
  • the support structure is formed by coupling portions 45 which protrude in the direction perpendicular to the side wall 9 via a frame 35, whereby the vibrating element 16 and the side wall 9 are contacted exclusively via these coupling portions.
  • the coupling sections correspond in shape to the ribs 33 in FIG. 4.
  • the support frame 44 has latching sections 46, by means of which the oscillating element 16 is latched.
  • a holder on the tube via projections 47, namely locking lugs which engage in recesses of the measuring tube.
  • a support structure formed separately from the measuring tube 3 was used in each case in order to achieve that the oscillating element is coupled to the side wall 9 exclusively via contact regions or excitation regions which are spaced apart from one another.
  • the side wall 9 in this case has two projections 48, which are coupled via a respective viscose layer 49 with the vibrating element 16.
  • two contact regions 17, 18 are formed, wherein a mode-selective excitation can be achieved by selecting a corresponding distance 20 between the centers 21, 22 in these contact regions 1, 18, as already explained ,
  • a corresponding contact structure for forming the contact regions 17, 18 can also be produced in that recesses 50 are introduced into the side wall 9 of the measuring tube 3. This is shown in FIG. 9. 9 also shows a contact of the vibrating element 16 via the side wall 9 and the conductive viscous layer 49. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem ersten und einem zweiten an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15), wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) führbar und dort zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist, wobei entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils ein Schwingelement (16) umfassen, das in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (17, 18) des Schwingelements (16) mit dem Messrohr (3) oder mit einer zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordneten Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist, oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, die in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (41, 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr (3) gekoppelten Tragstruktur (19, 32, 43) mit dem Messrohr (3) oder der Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt sind.

Description

Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung, einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr und einem ersten und einem zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr angeordneten Ultraschallwandler, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Ultra- schallwandler ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler führbar und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist. Daneben be- trifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidgröße.
Eine Möglichkeit, einen Durchfluss durch ein Messrohr zu messen, sind Ultraschallzähler. Bei diesen wird wenigstens ein Ultraschallwandler genutzt, um eine Ultraschallwelle in das durch das Messrohr strömende Fluid einzukoppeln, wobei diese auf einem geraden Weg oder nach mehreren Reflexionen an Wänden oder speziellen Reflektorelementen zu einem zweiten Ultraschallwandler geführt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern bzw. aus einem Laufzeitunterschied bei einer Vertauschung von Sender und Empfänger kann eine Durchflussgeschwindigkeit durch das Messrohr bestimmt werden.
Die Druckschrift US 4 735 097 A schlägt vor, zur Vereinfachung des Messaufbaus Ultraschallwandler zu nutzen, die außenseitig an dem Messrohr befestigt werden. Diese werden genutzt, um geführte Wellen im Messrohr zu induzieren, wodurch eine geringere Genauigkeit bei der Anordnung der Ultraschallwandler am Messrohr erforderlich ist. Zur Ein- kopplung der geführten Wellen wird ein keilförmiges Element genutzt, dessen längste Seite auf die Rohrwand gepresst wird und an dessen kürzester Seite ein Piezoelement angeordnet ist. Dieses wird in Schwingungen versetzt, um über das keilförmige Element eine geführte Welle in der Rohrwand zu induzieren. Nachteilig hierbei ist, dass der ge- nutzte Messaufbau relativ komplex und großbauend ist. Er ist somit in vielen Messsituationen, in denen eine Durchflussmessung gewünscht ist, nicht oder nur mit hohem Aufwand nutzbar. Zudem wird aufgrund der Nutzung des zusätzlichen keilförmigen Elements nur ein geringer Wirkungsgrad der Schwingungseinkopplung erreicht, womit das anre- gende Piezoelement relativ großdimensioniert werden muss.
Aus dem Artikel G. Lindner,„Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid Interfaces", J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002, ist es bekannt, zur Anregung von geführten Wellen sogenannte Interdigitaltransducer zu nutzen, bei denen ein piezoelektrisches Element genutzt wird, das kammartig ineinandergreifende Steuerleitungen aufweist, um eine Anregung bestimmter Anregungsmoden geführter Wellen zu erreichen. Da notwendigerweise Seher-Moden des piezoelektrischen Elements angeregt werden, werden typischerweise keine hohen Wirkungsgrade der Anregung erreicht. Zudem ist eine relativ aufwändige, hochgenaue Lithographie erforderlich, um die erforderliche Elektrodenstruktur mit ausreichender Exaktheit aufzubringen, wobei häufig dennoch keine ausreichende Modenreinheit der Anregung erreicht wird.
Eine Anregung einer modenreinen geführten Welle ist jedoch für eine Nutzung in einem Ultraschallzähler hochrelevant, da der Winkel, in dem Kompressionsschwingungen in das Fluid abgestrahlt werden, von der Phasengeschwindigkeit der geführten Welle abhängt, die typischerweise in unterschiedlichen Anregungsmoden bei gleicher angeregter Frequenz unterschiedlich ist. Werden somit verschiedene Moden angeregt, so resultieren verschiedene Ausbreitungspfade für die Kompressionsschwingungen im Fluid, die allenfalls durch eine aufwändige Signalauswertung herausgerechnet werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die geführte Wellen zur Messung nutzt, wobei ein geringer Bauraumbedarf und ein einfacher Aufbau realisiert werden sollen und vorzugsweise eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erreicht werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei
- entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils ein Schwingelement umfassen, das, insbesondere ausschließlich, in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen des Schwingelements mit dem Messrohr oder mit einer zwischen dem Messrohr und dem Schwingelement angeordneten Tragstruktur gekoppelt ist,
- oder wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils mehrere
Schwingelemente umfassen, die, insbesondere ausschließlich, in voneinander be- abstandeten Kontaktbereichen des Messrohres oder einer mit dem Messrohr verbundenen Tragstruktur mit dem Messrohr oder der Tragstruktur gekoppelt sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Schwingelement nur in voneinander beabstan- deten Kontaktbereichen direkt oder indirekt mit dem Messrohr zu koppeln oder mehrere Schwingelemente zu nutzen, um es oder die Tragstruktur in mehreren voneinander beab- standeten Kontaktbereichen anzuregen. In beiden Fällen resultiert eine lokal inhomogene Anregung des Messrohrs bzw. jener Seitenwand, die die geführte Welle führen soll. Eine derart inhomogene Anregung kann genutzt werden, um gezielt bestimmte Schwingungsmoden der Seitenwand bzw. des Messrohres, insbesondere Schwingungsmoden von Lamb- oder Rayleigh-Wellen, mit hoher Modenreinheit anzuregen. Dies kann erreicht werden, indem das genutzte Anregungsmuster auf eine Wellenlänge einer anzuregenden geführten Welle abgestimmt wird.
Da eine modenreine Anregung durch Wahl einer entsprechenden Anordnung der Kon- taktbereiche realisiert wird, ist die Wellenlänge der Schwingung des Schwingelements nicht relevant bzw. nur wenig relevant für die erreichbare Modenreinheit. Es ist somit für eine Anregung einer geführten Welle mit einer hohen Modenreinheit ausschließlich erforderlich, die Anregungsfrequenz auf die Wellenlänge der zu generierenden geführten Welle bzw. die Anordnung der Kontaktbereiche abzustimmen. Es kann somit eine Schwin- gungsform des Schwingelements bzw. der Schwingelemente gewählt werden, die eine möglichst gute Einkopplung der Schwingungsenergie in die Seitenwand ermöglicht. Vorzugsweise wird eine Kontraktions- bzw. Expansionsschwingung senkrecht zur Seitenwand genutzt. Diese kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Schwingelement bzw. jedes Schwingelement zwei gegenüberliegende Elektroden aufweist, wo- bei eine der Elektroden an einer messrohrseitigen Seite des jeweiligen Schwingelements und die andere auf einer gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Es kann jedoch auch eine erste Elektrode an einer ersten Seitenfläche angeordnet sein und eine zweite Elektrode kann überwiegend an der gegenüberliegenden Seitenfläche angeordnet sein, jedoch das Schwingelement umgreifen und mit einem relativ kurzen Kontaktabschnitt an der ers- ten Seitenfläche anliegen. Dies kann eine einfache Kontaktierung einer Elektrode ermög- liehen, die primär an einer dem Messrohr zugewandten Seite des Schwingelements angeordnet ist. Das Schwingelement bzw. alle Schwingelemente können insbesondere aus Piezokeramik gebildet sein und wenigstens zwei Elektroden aufweisen, die vorzugsweise wie oben erläutert angeordnet sind. Insbesondere kann das Schwingelement oder jedes Schwingelement quaderförmig sein und zwei Seitenflächen aufweisen, die parallel zu der Seitenwand bzw. wenigstens der Außenfläche der Seitenwand verlaufen.
Es können Messungen an einer durch das Messrohr strömenden Fluidströmung, jedoch auch an einem im Messrohr stehenden Fluid durchgeführt werden. Die Messeinrichtung kann auch mehr als zwei Schwingungswandler aufweisen. Beispielsweise kann eine durch einen ersten Schwingungswandler ausgesandte Schwingung durch mehrere zweite Schwingungswandler erfasst werden, um z.B. unterschiedliche Ausbreitungspfade zu berücksichtigen oder Messdaten zu validieren. Die Nutzung eines Schwingungstransports zur Erfassung von Fluideigenschaften ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden in Ultraschallzählern häufig Laufzeitunterschiede einer Laufzeit einer Schwingung zwischen einem ersten und einem zweiten Ultraschallwandler und umgekehrt erfasst und hieraus kann eine Flussgeschwindigkeit bestimmt werden. Es können jedoch auch andere Messdaten ausgewertet werden, um Fluideigenschaften zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Signalamplitude am empfangenden Schwingungswandler ausgewertet werden, um eine Dämpfung der Schwingung beim Transport durch das Fluid zu erfassen. Amplituden können auch frequenzabhängig ausgewertet werden und es können absolute oder relative Amplituden bestimmter Spektralbereiche ausgewertet werden, um ein spektral unterschiedliches Dämpf ungsver- halten im Fluid zu erfassen. Auch Phasenlagen unterschiedlicher Frequenzbänder können ausgewertet werden, um beispielsweise Informationen über die Dispersionsrelation im Fluid zu gewinnen. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung bzw. der Amplitude über die Zeit, beispielsweise innerhalb eines Messpulses, ausgewertet werden.
Durch Auswertung dieser Größen können als Fluidgrößen beispielsweise eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen und/oder eine Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Fluids ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ kann beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit im Fluid und/oder eine Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise ein Mischungsverhältnis unterschiedlicher Komponenten, ermittelt werden. Verschiedene Ansätze zur Gewinnung dieser Fluidgrößen aus den vorangehend erläuterten Messgrößen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert dargestellt werden. Beispielsweise können Zusammenhänge zwischen einer oder mehreren Messgrößen und der Fluidgröße empirisch ermittelt werden und es kann bei- spielsweise eine Look-Up-Tabelle oder eine entsprechende Formel genutzt werden, um die Fluidgröße zu ermitteln.
Die Kopplung des Schwingelements an das Messrohr kann direkt oder indirekt erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung über die Tragstruktur und/oder über wenigstens eine viskose Zwischenschicht. Ebenso kann die Tragstruktur direkt oder indirekt mit dem Messrohr bzw. dem Schwingelement gekoppelt sein, vorzugsweise über eine viskose Zwischenschicht. Das Schwingelement kann z. B. ein piezoelektrisches Schwingelement, ein elektromagnetischer Schallwandler, ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler oder ein elektroaktives Polymer sein.
Die Tragstruktur kann separat von dem Messrohr ausgebildet sein. Eine akustische Impedanz der Tragstruktur kann derart gewählt werden, dass sie zwischen der akustischen Impedanz des Schwingelements und der akustischen Impedanz der Seitenwand liegt, wodurch Reflexionen an den Übergangsflächen reduziert werden können und eine effizi- entere Schwingungseinkopplung erreicht werden kann.
Die Tragstruktur kann beispielsweise durch Fräsen, Laserschneiden, Stanzen, Spritzguss oder Ähnliches hergestellt werden. Die Tragstruktur kann beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein.
Die Tragstruktur kann aus einem gefüllten Kunststoff gebildet sein. Bei diesen sind Partikel, z. B. Metallpartikel, in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Durch Wahl der Partikel und/oder der Partikelkonzentration kann die akustische Impedanz der Tragstruktur ange- passt werden.
Soll das Schwingelement oder sollen die Schwingelemente direkt oder über eine viskose Zwischenschicht ohne separate Tragstruktur mit dem Messrohr gekoppelt werden, so ist es möglich, die dem Schwingelement bzw. dem jeweiligen Schwingelement zugewandte Oberfläche der Seitenwand derart zu formen, dass das Schwingelement oder die Schwin- gelemente nur in den Kontaktbereichen mit dem Messrohr gekoppelt ist oder sind. Bei- spielsweise können hierfür Vorsprünge oder Ausnehmungen an der Seitenwand vorgesehen sein.
Werden mehrere Schwingelemente genutzt, werden diese vorzugsweise gemeinsam an- gesteuert. Beispielsweise kann das gleiche Ansteuersignal von der Steuereinrichtung den Elektroden der verschiedenen Schwingelemente zugeführt werden. Die Schwingelemente können parallel geschaltet sein bzw. alle ihre messrohrseitigen Elektroden können leitend verbunden sein und/oder alle ihre messrohrabgewandten Elektroden können leitend verbunden sein. Vorzugsweise führen die Schwingelemente gemeinsam die gleiche
Schwingbewegung durch.
Der Abstand zwischen den Mitten wenigstens zweier Kontaktbereiche des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der geführten Welle entsprechen. Beispielsweise kann der Abstand gleich der Wellenlänge, doppelt so groß wie die Wellenlänge, usw. sein. Wird beispielsweise eine geführte Welle mit einer Wellenlänge von 1 ,8 mm angeregt, können die Mitten der Kontaktbereiche 1 ,8 mm, 3,6 mm, 5,4 mm, etc. voneinander beabstandet sein. Die Wellenlänge der geführten Welle kann durch die Eigenschaften der Messeinrichtung fest vorgegeben sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung das Schwingelement oder die Schwingelemente derart ansteuern, dass diese mit einer definierten Frequenz schwingen, wobei die Frequenz der geführten Welle der Frequenz der Schwingung der Schwingelemente entsprechen kann. Ist die Messeinrichtung konstruktiv derart ausgebil- det, dass bei einer Frequenz eine im Wesentlichen modenreine Anregung erfolgt, so erfolgt auch eine Anregung mit einer definierten Wellenlänge. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit bestimmter Parameter, beispielsweise einer gemessenen Temperatur, zu variieren, um eine Temperaturabhängigkeit beispielsweise der Resonanzfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente und/oder einer Modenstruktur der angeregten Seitenwand auszugleichen.
Die Ausbreitungsrichtung kann über die gesamte Breite der Seitenwand bzw. des oder der Schwingelemente gleich sein. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Kontaktbereiche durch parallele rechteckige Flächen gebildet sind. Es ist jedoch auch mög- lieh, dass die Abstrahlrichtung lokal variiert. Beispielsweise können gekrümmte Kontakt- bereiche genutzt werden, wobei die verschiedenen Anregungs- bzw. Kontaktbereiche vorzugsweise zueinander parallel sind. In diesem Fall kann die Ausbreitungsrichtung beispielsweise stets senkrecht auf einem Rand der Kontaktbereiche stehen. Werden die Abstände der Mitten der Kontaktbereiche wie oben erläutert gewählt und erfolgt die Verschaltung bzw. die Ansteuerung der Schwingelemente derart, dass diese phasensynchron schwingen, so erfolgt für geführte Wellen, deren Wellenlänge diesem Abstand oder einem ganzzahligen Teiler dieses Abstandes entspricht, also insbesondere für die anzuregende Lamb-Welle, eine konstruktive Interferenz. Die beabstandeten Kon- taktbereiche wirken somit als eine Art wellenlängenbasierter Bandpassfilter für die angeregten geführten Wellen. Erfolgt eine Anregung mit einer Frequenz, bei der verschiedene Schwingungsmoden der Seitenwand ausreichend große Wellenlängenunterschiede aufweisen, so kann näherungsweise eine modenselektive Anregung erreicht werden. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können mehr als zwei Kontaktbereiche genutzt werden, deren Mitten jeweils gleiche Abstände voneinander aufweisen. Hierdurch kann die Modenreinheit der Anregung weiter verbessert werden. Um zu vermeiden, dass verschiedene Moden zugleich angeregt werden, ist hierbei jedoch darauf zu achten, dass vorzugsweise keiner der Abstände verschiedener Mitten der Kontaktbe- reiche einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge einer anderen Schwingungsmode der Seitenwand mit gleicher Frequenz entspricht.
Es ist möglich, dass eine geführte Welle mit einer Frequenz angeregt wird, für die gemäß der Dispersionsrelation der Seitenwand genau zwei Schwingungsmoden oder wenigstens zwei Schwingungsmoden mit unterschiedlichen Wellenlängen existieren, wobei die Wellenlänge der zweiten Mode doppelt so groß ist wie die Wellenlänge der ersten Mode. Wird der Abstand der Mitten der Kontaktbereiche nun so gewählt, dass er ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der ersten Wellenlänge ist, so resultiert eine konstruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der ersten Wellenlänge. Zugleich resultiert eine destruktive Interferenz für die Schwingungsmode mit der zweiten Wellenlänge, da für diese eine Anregung mit einem Abstand der halben zweiten Wellenlänge erfolgt, woraus eine Phasenverschiebung von 180° und somit eine Auslöschung resultiert. Durch Wahl eines solchen Arbeitspunktes kann somit gezielt eine destruktive Interferenz für eine zweite anregbare Mode und somit eine höhere Modenreinheit erreicht werden. Die Frequenz der angereg- ten geführten Welle kann durch Wahl der Schwingungsfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente vorgegeben werden. Die Steuereinrichtung kann somit dazu eingerichtet sein, das Schwingelement oder die Schwingelemente derart anzusteuern, dass sie mit einer definierten Frequenz schwingen, die dem obig beschriebenen Arbeitspunkt entspricht.
Die Frequenz der geführten Welle kann gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements oder der Schwingelemente sein. Vorzugsweise weisen alle Schwingelemente die gleiche Resonanzfrequenz auf. Die Resonanzfrequenz des Schwingelements bzw. der Schwingelemente kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass bei gegebenen1 Abmessungen parallel zur Seitenwand eine Dicke des Schwingelements senkrecht zur Seitenwand gewählt wird, um eine gewünschte Resonanzfrequenz einzustellen. Eine Anregung des Schwingelements oder der Schwingelemente bei seiner oder ihrer Resonanzfrequenz führt zu einer besonders effizienten Schwingungsanregung bei einer definierten Schwingungsfrequenz. Der Ultraschallwandler kann somit zur Anregung einer geführten Oberflächenwelle mit einer definierten Frequenz und insbesondere einer definierten Wellenlänge mit hoher Effizienz eingerichtet sein.
Mit dem vorangehend beschriebenen Vorgehen wird zwar eine Modenselektivität der Anregung erreicht, zugleich resultiert jedoch eine Ausbreitung der geführten Welle notwendig zumindest in zwei entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen. Dies kann in Einzelfällen zur Störung des Messprozesses führen bzw. ein gewisser Teil der Anregungsenergie kann verloren gehen und nicht zur Messung genutzt werden. Es kann daher vorteilhaft sein, die Messeinrichtung derart auszubilden, dass eine Ausbreitung der geführten Welle verstärkt oder ausschließlich in eine Richtung oder einseitig in einem bestimmten Raum- winkelbereich erfolgt.
Dies kann dadurch ermöglicht sein, dass über zwei Kontaktbereiche des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers eine Anregung des Messrohrs mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, wobei der Abstand zwischen den Mitten der beiden Kontaktbereiche in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der geführten Welle ist. Beispielsweise kann der Abstand das 1 ,25-fache, das 2,25-fache oder das 3,25-fache der Wellenlänge sein. Über die beiden Kontaktbereiche werden jeweils separate geführte Wellen in der Seitenwand angeregt, die sich überlagern. Aufgrund der beschriebenen Parameter wird im ersten dieser Bereiche die folgende in beide Richtungen laufende geführte Welle angeregt:
• 27Γ . . . In .
yx = sm(— x - cot) + sin( x - cot)
λ Ä
Hierbei ist λ die Wellenlänge, x der Abstand vom Anregungsort, t die Zeit und ω das Produkt aus 2π und der Frequenz der geführten Welle. Aufgrund des Phasenversatzes und dem Abstand zwischen den Bereichen wird im zweiten Bereich die folgende in beide Rieh tungen laufende geführte Welle angeregt: y2 = sin(^(x + %) - «t - ^) + sin(-^(x + %) - 6tf - %
Eine Überlagerung, also eine Summe der beiden Wellen, kann durch trigonometrisches Umformen berechnet werden, wobei sich das folgende Ergebnis ergibt:
7.7t
>, + y2 = 2■ sm(-— x - cot)
λ
Eine Überlagerung der beiden geführten Wellen resultiert somit in einer geführten Welle, die sich ausschließlich in eine Ausbreitungsrichtung ausbreitet, da für diese Ausbreitungsrichtung eine konstruktive Interferenz resultiert und für die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung eine destruktive Interferenz.
Ein Phasenversatz für die Anregung kann dadurch realisiert werden, dass viskose Schich- ten bzw. Tragstrukturen mit unterschiedlichen Ausdehnungen bzw. aus unterschiedlichem Material genutzt werden. Beispielsweise kann die Ausdehnung einer Tragstruktur, die einem der Kontaktbereiche zugeordnet ist, senkrecht zur Seitenwand eine derartige Abmessung aufweisen, dass die in dieser Tragstruktur angeregte Schwingung eine zusätzliche Zeit in Anspruch nimmt, die dem Kehrbruch des Vierfachen der Frequenz entspricht, um die Seitenwand zu erreichen. Alternativ wäre es auch möglich, die Phasenschiebung elektronisch zu realisieren. Beispielsweise könnten die messrohrseitigen und/oder mess- rohrabgewandten Elektroden von mehreren Schwingelementen über einen Kondensator gekoppelt werden oder Ähnliches.
Der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler können jeweils mehrere piezoelektrische Schwingelemente umfassen, wobei die Schwingelemente über eine jeweilige oder eine gemeinsame Tragstruktur mit dem Messrohr gekoppelt sind. Die Tragstruktur bzw. die Tragstrukturen können das Messrohr ausschließlich in den Kontaktbereichen kontaktieren. Die Schwingelemente können voneinander beabstandet auf einer gemeinsamen Tragstruktur angeordnet sein.
Die Tragstruktur kann wenigstens zwei voneinander beabstandete Rippen aufweisen, die durch Verbindungsabschnitte verbunden sind, wobei das Schwingelement oder die Schwingelemente ausschließlich auf den Rippen aufliegen. Die Rippen können das Schwingelement und/oder das Messrohr ausschließlich im Kontaktbereich kontaktieren. Durch die Ausbildung der Tragstruktur aus Rippen und wenigstens einem Verbindungsabschnitt, vorzugsweise einem Rahmen aus Verbindungsabschnitten, kann eine definierte Anordnung der Rippen zueinander und somit auch eine definierte Anordnung der Kontaktbereiche zueinander realisiert werden. Hierdurch kann die Herstellung der Messeinrichtung vereinfacht werden.
Die Rippen können eine kammartige Struktur ausbilden, auf der das Schwingelement aufliegt bzw. die auf der Seitenfläche aufliegt. Die Rippen können beispielsweise einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Die Trapezform kann so gewählt werden, dass die längere Seite des Trapezes an dem Schwingelement anliegt, wo- mit unter Umständen eine effizientere Schwingungskopplung erreicht werden kann.
Die Rippen können sich senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der geführten Welle erstrecken. Eine einzelne Rippe kann jeweils einem einzelnen Kontaktbereich zugeordnet sein. Die Messeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler die geführte Welle in eine Raumwinkelbereich ausstrahlen bzw. dass bei einer Anregung über eine gewisse Breite eine Fokussierung der geführten Welle erfolgt. In diesem Fall ist die Ausbreitungsrichtung an unterschiedlichen Punkten der Messeinrichtung, insbesondere in Richtung der Breite der Seitenwand, also senkrecht zu einer Richtung, in der das Fluid durch das Messrohr strömt, lokal unterschiedlich. Die Rippen können hierbei entlang ihrer Erstreckung in den einzelnen Bereichen jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen, das heißt gekrümmt sein.
Das Messrohr kann im Bereich des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers eine Kontaktstruktur aufweisen, die mehrere Vorsprünge und/oder wenigstens eine Ausnehmung aufweist, wobei die Kontaktbereiche ausschließlich im Bereich der Vorsprünge und/oder außerhalb des Bereichs der Ausnehmung angeordnet sein können. Durch diese Ausnehmungen bzw. Vorsprünge können Strukturen ausgebildet werden, wie sie vorangehend bezüglich der Tragstruktur beschrieben wurden, beispielsweise in Ausbreitungs- richtung voneinander beabstandete Rippen, die sich insbesondere senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung erstrecken. Durch eine entsprechende Ausbildung der Seitenwand des Messrohres kann somit auf eine separate Tragstruktur verzichtet werden. Insbesondere können die Schwingelemente direkt oder über eine viskose Schicht an dem Messrohr angeordnet werden. Hierbei kann eine flache Seitenfläche des Schwingelements oder der Schwingelemente direkt oder über die viskose Schicht auf den Vorsprüngen bzw. auf der Seitenwand außerhalb des Bereichs der Ausnehmungen aufliegen.
Die Kontaktbereiche können jeweils eine konstante Länge in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle aufweisen und/oder alle Kontaktbereiche können eine gleiche vorgege- bene Breite senkrecht zur Anregungsrichtung aufweisen. Beispielsweise können die Kontaktbereiche durch Rippen mit den vorangehend beschriebenen Formen realisiert werden, die ausschließlich in den entsprechenden Bereichen an der Seitenwand bzw. am Schwingelement anliegen. Es ist möglich, dass die Kontaktbereiche gekrümmt sind. Ausgehend von einem Mittelpunkt, insbesondere in Richtung der Breite der Seitenwand, können die seitlichen Enden der Kontaktbereiche in Ausbreitungsrichtung vor oder hinter diesem Mittelpunkt liegen. Somit wird eine lokal unterschiedliche Ausbreitungsrichtung realisiert. Dies kann dazu dienen, die geführte Welle in einen bestimmten Abstrahlwinkel abzustrahlen bzw. zu fo- kussieren. Hierbei kann die Krümmung einen festen Krümmungsradius aufweisen, der beispielsweise größer als die Breite der Seitenwand des Messrohres senkrecht zu einer Strömungsrichtung und/oder kleiner als das Zehnfache oder Hundertfache dieser Breite sein kann. Das Schwingelement oder die Schwingelemente können über eine viskose Schicht mit dem Messrohr oder der oder der jeweiligen Tragstruktur gekoppelt sein und/oder die Tragstruktur oder die Tragstrukturen können über eine viskose Schicht mit dem Messrohr gekoppelt sein. Diese Schicht kann eine Viskosität von weniger als 108 mPas (Millipascal- Sekunden), insbesondere einer Viskosität von zwischen 0,6 mPas und 106 mPas, aufweisen. Beispielsweise kann ein Silikonöl als viskose Kopplungsschicht genutzt werden, dessen Eigenschaften durch Zusätze, beispielsweise eingebrachte Partikel, weiter angepasst werden können. Die Schichtdicke der Kopplungsschicht kann zwischen 10 Mm und 100 m betragen.
Gegenüber einer starren Kopplung, beispielsweise einer Verklebung, wird der Vorteil erreicht, dass Verspannungen zwischen Schwingwandler und Messrohr bei einer Temperaturänderung vermieden werden. In vielen Fällen weisen das Messrohr, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet ist, und das Schwingungselement, das aus einer Pie- zokeramik mit aufgebrachten Elektroden bestehen kann, unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten auf. Aufgrund der viskosen Schicht können diese unterschiedlichen Ausdehnungen ausgeglichen werden, ohne dass Verspannungen entstehen und somit beispielsweise eine Klebeschicht über die Zeit brüchig werden kann. Die viskose Schicht kann elektrisch leitend sein. Insbesondere kann eine messrohrseitige Elektrode des Schwingelements oder der Schwingelemente über die viskose Schicht kontaktiert sein. Beispielsweise kann die viskose Schicht eine Leitfähigkeit von mehr als 1 S/m (Siemens/Meter), insbesondere von mehr als 03 S/m aufweisen. Vorzugsweise werden noch größere Leitfähigkeiten realisiert. Die genannten relativ geringen Leitfähigkeiten können jedoch ausreichen, da keine großen Ströme transportiert werden müssen.
Die viskose Schicht kann metallische Partikel enthalten. Dies kann einerseits dazu dienen, die oben genannte Leitfähigkeit herzustellen, andererseits kann durch einen Beisatz von Partikeln die Viskosität der Schicht bedarfsgerecht angepasst werden.
Die Tragstruktur kann als Abschnitt eines an dem Messrohr angeordneten Trägegestells ausgebildet sein, das das Schwingelement oder das jeweilige Schwingelement oder die Schwingelemente trägt, wobei durch das Tragegestell wenigstens ein Kopplungsabschnitt ausgebildet ist, wobei das Tragegestell abgesehen von dem Kopplungsabschnitt von dem Schwingelement oder den Schwingelementen und/oder von der Seitenwand des Mess- rohrs, in die die geführte Welle einzukoppeln ist, beabstandet ist. Vorzugsweise bildet das Tragegestell mehrere Kopplungsabschnitte aus. Der Kopplungsabschnitt oder die Kopplungsabschnitte können die jeweilige Tragstruktur bilden. Die Beabstandung der anderen Abschnitte von der Seitenwand bzw. dem Schwingelement oder den Schwingelementen kann ausreichend groß sein, dass auch eine jeweilige viskose Schicht nicht kontaktiert wird, soweit diese vorhanden ist. Die Kopplungsabschnitte liegen insbesondere im Kontaktbereich an dem Schwingelement bzw. der Seitenwand an. Die Nutzung eines derartigen Tragegestells ermöglicht einen einfachen und robusten Aufbau der Messeinrichtung. Das Tragegestell kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt werden. Eine Herstellung kann durch Fräsen, Laserschneiden, Stanzen, Spritzguss oder Ähnliches erfolgen.
Das Tragegestell kann wenigstens ein Rastelement aufweisen, um das Schwingelement oder das jeweilige Schwingelement oder die Schwingelemente an dem Tragegestell zu verrasten. Beispielsweise können Rastnasen von zwei oder mehr Seiten an das oder die Schwingelemente angreifen.
Das Tragegestell kann ergänzend oder alternativ wenigstens einen Vorsprung aufweisen, der in eine Ausnehmung des Messrohres eingreift oder umgekehrt. Dies kann dazu dienen, die Position des Tragegestells an dem Messrohr und insbesondere auch die Position des Schwingelements bzw. der Schwingelemente bezüglich des Messrohrs festzulegen. Um das Tragegestell an dem Messrohr zu befestigen, können beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Messrohrseitenwand bzw. zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Messrohrs Ausnehmungen vorgesehen sein, in die ein jeweiliger Vorsprung eingreift, insbesondere einrastet.
Die Tragstruktur und/oder die Vorsprünge und/oder die Ausnehmung des Messrohrs können eine Ausdehnung senkrecht zu der Seitenwand des Messrohrs, in die die geführte Welle einzukoppeln ist, aufweisen, die maximal halb so groß ist, wie die Wellenlänge jener Welle in dem Material der Tragstruktur oder der Seitenwand, die die gleiche Frequenz aufweist, wie die geführte Welle. Ist die Ausdehnung halb so groß wie die Wellenlänge, erfolgt eine schmalbandige resonante Einkopplung der Schwingung, wodurch hohe Wirkungsgrade der Einkopplung erreicht werden können. Alternativ ist es möglich, relativ kleine Ausdehnungen zu nutzen, so dass eine nicht resonante Schwingungsübertragung erfolgt. Beispielsweise kann die Ausdehnung um den Faktor 3, 5 oder 10 kleiner sein als die Wellenlänge. Die Länge der Tragstruktur und/oder der Vorsprünge und/oder der Ausnehmung in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann vorzugsweise zwischen der Hälfte und einem Achtel der Wellenlänge der geführten Welle sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Länge in Ausbreitungsrichtung ungefähr genauso groß ist wie die Wellenlänge der geführten Wellenlänge. In diesem Fall können vorteilhaft Abstände der Kontaktbereiche gewählt werden, die deutlich größer als die Wellenlänge der geführten Welle, also beispielsweise doppelt so groß oder 2,25 Mal so groß, sind. Neben dem erfindungsgemäßen Ultraschallzähler betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Messeinrichtung, die eine Steuereinrichtung, ein das Fluid aufnehmendes und/oder von dem Fluid durchströmbares Messrohr und einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr angeordneten Ultraschallwandler umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler angesteuert werden, um eine durch eine Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler geführt und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfasst werden, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelt wird, wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils ein Schwingelement umfassen, durch das, insbesondere ausschließlich, über mehrere voneinander beabstandete Kontaktbereiche des Schwingelements Schwingungen in das Messrohr oder in eine zwischen dem Messrohr und dem Schwingelement angeordnete Tragstruktur eingekoppelt werden, oder wobei der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler jeweils mehrere Schwingungselemente umfassen, durch die, insbesondere ausschließlich, in voreinander beabstandete Kontaktbereiche des Messrohrs oder einer mit dem Messrohr gekoppelten Tragstruktur Schwingungen eingekoppelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jenen Merkmalen, die zur erfindungsgemäßen Messeinrichtung erläutert wurden, mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbei- spiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen die Fig. 1 - 3 verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und Fig. 3 - 9 Detailansichten verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströ- mung betreffenden Fluidgröße. Das Fluid wird hierbei in eine durch den Pfeil 7 gezeigte Richtung durch einen Innenraum 4 eines Messrohrs 3 geführt. Um die Fluidgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die Steuereinrichtung 2 eine Laufzeitdifferenz zwischen den Laufzeiten von einem ersten Ultraschallwandler 5 zu einem zweiten Ultraschallwandler 6 und umgekehrt ermittelt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass diese Laufzeit von einer Geschwindigkeitskomponente des Fluids parallel zu einer Ausbreitungsrichtung eines Ultraschallstrahls 8 durch das Fluid abhängt. Aus dieser Laufzeit kann somit eine über den Pfad des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 gemittelte Flussgeschwindigkeit in Richtung des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 und somit näherungsweise eine gemittelte Strömungsgeschwindigkeit in dem von dem Ultraschallstrahl 8 durchquerten Volumen ermittelt werden.
Um einerseits eine Anordnung der Ultraschallwandler 5, 6 außerhalb des Messrohrs 3 zu ermöglichen und andererseits eine Empfindlichkeit bezüglich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen Positionen des Strömungsprofils zu reduzieren, wird durch den ersten Ultraschallwandler 5 nicht direkt ein Ultraschallstrahl 8, also eine Druckwelle, in dem Fluid induziert. Stattdessen wird durch den Ultraschallwandler 5 eine geführte Welle in der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 angeregt. Die Anregung erfolgt mit einer Frequenz, die derart gewählt ist, dass eine Lamb-Welle in der Seitenwand 9 angeregt wird. Solche Wellen können angeregt werden, wenn die Dicke 10 der Seitenwand 9 vergleichbar mit der Wellenlänge der Transversalwelle des Festkörpers ist, welche sich aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle des Festkörpers und der angeregten Frequenz ergibt.
Die durch den Ultraschallwandler 5 in der Seitenwand 9 angeregte geführte Welle ist schematisch durch den Pfeil 11 dargestellt. Durch die geführte Welle werden Kompressi- onsschwingungen des Fluids angeregt, die im gesamten Ausbreitungspfad der geführten Welle in das Fluid abgestrahlt werden. Dies ist schematisch durch die in Strömungsrichtung zueinander versetzten Ultraschallstrahlen 8 dargestellt. Die abgestrahlten Ultraschallstrahlen 8 werden an der gegenüberliegenden Seitenwand 12 reflektiert und über das Fluid zurück zu der Seitenwand 9 geführt. Dort regen die auftreffenden Ultraschall- strahlen 8 erneut eine geführte Welle in der Seitenwand 9 an, die schematisch durch den Pfeil 13 dargestellt ist und die durch den Ultraschallwandler 6 erfasst werden kann, um die Laufzeit zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die abgestrahlten Ultraschallwellen über einen Ultraschallwandler 15 zu erfassen, der an der Seitenwand 12 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallstrahlen 8 auf ihrem Pfad zum Ültraschallwandler 6, 15 nicht bzw. nur einmal an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert. Es wäre selbstverständlich möglich, eine längere Messstrecke zu nutzen, wobei die Ultraschallstrahlen 8 mehrfach an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert werden.
Bei dem geschilderten Vorgehen kann es problematisch sein, dass die Dispersionsrelati- on für Lamb-Wellen in der Seitenwand 9 mehrere Zweige aufweist. Bei einer Anregung mit einer bestimmten durch die Steuereinrichtung 2 vorgegebenen Frequenz wäre es somit möglich, dass unterschiedliche Schwingungsmoden für die Lamb-Welle angeregt werden, die unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. Dies führt dazu, dass die Kompressionswellen in Abhängigkeit dieser Phasengeschwindigkeiten unter unterschied- liehen Rayleigh-Winkeln 14 abgestrahlt werden. Hieraus resultieren verschiedene Pfade für die Führung der Ultraschallwelle von dem Ultraschallwandler 5 zu dem Ultraschallwandler 6 und umgekehrt, die typischerweise unterschiedliche Laufzeiten aufweisen. Die empfangenen Signale für diese verschiedenen Ausbreitungspfade müssten somit durch eine aufwändige Signalverarbeitung durch die Steuereinrichtung 2 separiert werden, um die Fluidgröße bestimmen zu können. Dies erfordert einerseits eine aufwändige Steuereinrichtung und ist andererseits nicht in allen Anwendungsfällen robust möglich. Daher soll in dem Ultraschallwandler 5 eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen erfolgen. Verschiedene Möglichkeiten, dies mit relativ geringem technischen Aufwand umzusetzen, sind im Folgenden für verschiedene beispielhafte Konfigurationen des Ultra- schallwandlers 5 beschrieben.
Fig. 2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsvariante des Ultraschallwandlers 5 in zwei verschiedenen Perspektiven. Der Ultraschallwandler umfasst ein piezoelektrisches Schwingelement 16, das vorzugsweise als quaderförmiger Block aus Piezokeramik gebildet ist, der über nicht gezeigte Elektroden kontaktiert ist. Um eine modenreine Anregung zu er- reichen, soll durch die Verbindung dieses Schwingelements 16 mit der Seitenwand 9 der geführten Welle eine bestimmte Wellenlänge aufgeprägt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das Schwingelement 16 über eine Tragstruktur 19 mit der Seitenwand 9 gekoppelt ist, wobei das Schwingelement 16 ausschließlich in zwei voneinander beabstan- deten Kontaktbereichen 17, 18 mit der Tragstruktur 19 gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen der Tragstruktur 19 und dem Schwingelement 16 bzw. der Wand 9 erfolgt jeweils über eine viskose Schicht 29, 30. Diese Schicht kann beispielsweise aus einem Silikonöl bestehen. In der Schicht können Partikel 31 , insbesondere Metallpartikel, vorgesehen sein, um die Viskosität der Schicht anzupassen. Bei einer Nutzung von Metallpartikeln oder anderen leitfähigen Partikeln 31 können diese Partikel 31 auch dazu dienen, eine bestimmte Leitfähigkeit der viskosen Schichten 29, 30 zu realisieren. Dies kann vorteilhaft sein, da eine Elektrode an der messrohrzugewandten Seite 25 des Schwingelements 16 häufig schwer zugänglich ist und somit beispielsweise eine Kontaktierung dieser Elektrode über die viskose Schicht 30 erfolgen kann. Eine Schwingungskopplung über die visko- sen Schichten 29, 30 führt dazu, dass über diese Kopplungen Scherkräfte nicht oder nur in geringem Ausmaß übertragen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn beispielsweise bei Temperaturwechseln unterschiedliche Ausdehnungen des Schwingelements 6 und der Seitenwand 9 auftreten, womit beispielsweise bei einer Verklebung Verspannungen auftreten könnten, die diese Verklebung langfristig beschädigen könnten.
Der Aufbau der Tragstruktur 19 ist insbesondere in Fig. 3 gut zu erkennen. Jene Bereiche der Tragstruktur 19, die in der gezeigten Ansicht unterhalb des Schwingelements 16 liegen, also die Kontaktbereiche 7, 8, sind gestrichelt dargestellt. Die Tragstruktur 19 weist zwei voneinander beabstandete Rippen 26, 27 auf, die durch Verbindungsabschnit- te 28 miteinander verbunden sind. Das Schwingelement 16 liegt ausschließlich auf den Rippen 26, 27 auf. Durch eine entsprechende Wahl der Abstände der Rippen 26, 27 und somit der Mitten 21 , 22 der Kontaktbereiche 17, 18 in die durch den Pfeil 11 dargestellte Ausbreitungsrichtung der geführten Welle kann der geführten Welle eine definierte Wellenlänge aufgeprägt werden.
Die Anregung der geführten Welle kann dadurch erfolgen, dass eine Expansions- bzw. Kompressionsschwingung des Schwingelements 16 angeregt wird, die schematisch durch den Doppelpfeil 23 in Fig. 2 dargestellt ist. Hierzu können Elektroden an der messrohrzugewandten Seite 25 und der messrohrabgewandten Seite 24 des Schwingelements 16 durch die Steuereinrichtung 2 mit einer zeitlich variablen Potentialdifferenz beaufschlagt werden, wobei in Abhängigkeit der Potentialdifferenz eine Expansion oder eine Kompres¬ sion des Schwingelements 16 in die Hochrichtung in Fig. 2 erfolgt. Diese Schwingung senkrecht zur Seitenwand wird aufgrund der Nutzung der Tragstruktur 19 ausschließlich im Bereich der Rippen 26, 27 in die Seitenwand 9 eingekoppelt. Hierbei wird im Folgen- den zunächst davon ausgegangen, dass die Rippen 26, 27 im Wesentlichen gleich aufgebaut und mit dem Schwingelement 16 und der Seitenwand 9 gekoppelt sind, so dass im Bereich der Rippen 26, 27 jeweils eine gleichphasige Anregung von geführten Wellen erfolgt. Die beiden im Bereich der Rippen 26, 27 induzierten geführten Wellen werden in der Seitenwand 9 überlagert. Wird der Abstand 20 zwischen den Mitten 21, 22 der Kontaktbereiche 17, 18 nun so gewählt, dass er der Wellenlänge einer bestimmten gewünschten Mode der geführten Welle in der Seitenwand 9 bzw. einem ganzzahligen Vielfachen hiervor entspricht, so interferieren die geführten Wellen dieser Mode konstruktiv. Moden mit Wellen- längen, die keine ganzzahligen Teiler des Abstands 20 sind, werden nicht mit einer konstruktiven Interferenz und somit mit deutlich geringerer Amplitude in die Seitenwand 9 eingekoppelt. Durch eine auf die Wellenlänge der gewünschten Mode abgestimmte Tragstruktur kann somit eine Anregung von ungewünschten Moden weitgehend unterdrückt werden.
Die Frequenz der anzuregenden geführten Welle kann durch eine entsprechende Ansteu- erung durch die Steuereinrichtung 2 prinzipiell frei vorgegeben werden. Um eine effiziente Anregung zu erreichen, wird jedoch vorzugsweise eine geführte Welle mit einer Frequenz angeregt, die gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements 16 ist. Vorzugsweise soll in der Messeinrichtung 1 stets eine geführte Welle mit einer fest vorgegebenen Frequenz und einer fest vorgegebenen Wellenlänge angeregt werden. Entsprechend kann das Schwingelement 16 so konfiguriert bzw. gewählt werden, dass seine Resonanzfrequenz dieser Schwingungsfrequenz entspricht, womit die entsprechende geführte Welle mit hoher Effizienz angeregt werden kann. Die Wellenlänge wird wie vorangehend erläu- tert über die Auslegung der Tragstruktur bzw. über die Wahl des Abstands 20 zwischen den Mitten 21 , 22 der Kontaktbereiche 17, 18 vorgegeben. Durch die Dispersionsrelation der Seitenwand 9 für die geführte Welle ergibt sich somit ein Zusammenhang aus dem Abstand 20 und einer vorteilhaften Resonanzfrequenz des Schwingelements 16. Die Länge der Kontaktbereiche 17, 18 in die durch den Pfeil 11 gezeigte Ausbreitungs¬ richtung der geführten Welle, also die Breite der Rippen 26, 27, kann zwischen einem Achtel und der Hälfte der Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle sein. Es ist auch möglich, dass die Länge der Kontaktbereiche 17, 18 ungefähr so groß ist wie die Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle, wobei in diesem Fall der Abstand 20 zwischen den Mitten 21 , 22 vorzugsweise wenigstens doppelt so groß ist wie die Wellenlänge.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden ausschließlich zwei Kontaktbereiche 17, 18 genutzt. Um die Modenreinheit weiter zu verbessern, können in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weitere Kontaktbereiche 17, 8 genutzt werden.
Das Messrohr 3 kann aus mehreren im Wesentlichen geraden Seitenwänden zusammengesetzt sein. Es ist jedoch auch möglich, das beschriebene Vorgehen in im Wesentlichen runden Messrohren zu nutzen, wobei eine Seitenfläche, an der die Ultraschallwandler 5, 6 angeordnet sind, zumindest außenflächenseitig abgeflacht sein kann. Alternativ kann auch die Außenseite gekrümmt sein und die dem Messrohr 3 zugewandte Seite des Ultraschallwandlers 5, 6 kann an dieser gekrümmten Fläche anliegen. Beispielsweise kann ein rundes Messrohr 3 verwendet werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ragt die Tragstruktur 19 über diese Seitenwand 9 hinaus. Alternativ wäre es auch möglich, dass eirie in Hochrichtung in Fig. 3 kürzere Tragstruktur genutzt wird, die vollständig auf der Seitenwand 9 aufliegt bzw. sich zumindest nicht über den Bereich der Seitenwand 9 hinauserstreckt.
In der obigen Erläuterung der Überlagerung der eingekoppelten geführten Wellen wurde zunächst davon ausgegangen, dass über die beiden Rippen 26, 27 eine gleichphasige Anregung von geführten Wellen in der Seitenwand 9 erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, die Tragstruktur 19 bzw. die Kopplung zwischen der Tragstruktur 19 und dem Schwin- gelement 16 bzw. der Seitenwand 9 derart anzupassen, dass gezielt ein bestimmter Phasenversatz realisiert wird. Beispielsweise kann die Dicke der Rippen 26, 27 senkrecht zur Seitenwand 9 angepasst werden und/oder die Rippen 26, 27 können aus unterschiedlichem Material gebildet sein, so dass die Laufzeit der eingekoppelten Schwingung für die beiden Rippen 26, 27 unterschiedlich ist. Wird nun ein Aufbau gewählt, bei dem die Anre- gung im Bereich der ersten und zweiten Rippe 26, 27 mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, und wird der Abstand 20 zwischen den Rippen 26, 27 so gewählt, dass er die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der zu erzeugenden geführten Welle ist, so resultiert eine Überlagerung der beiden eingekoppelten geführten Wellen derart, dass die in den Figuren 1 bis 3 nach links laufende Komponente der geführten Welle ausgelöscht wird und ausschließlich die nach rechts laufende Komponente verbleibt oder umgekehrt. Es kann somit eine richtungsselektive Anregung geführter Wellen erfolgen, was zweckmäßig sein kann, um eine ungewünschte Mehrwegausbreitung zu vermeiden und zudem die Effizienz der Einkopplung für den gewünschten Ausbreitungspfad zu erhöhen.
Fig. 4 zeigt einen alternativen Aufbau für den Ultraschallwandler 5, der sich von dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Aufbau bezüglich der genutzten Tragstruktur 32 unterscheidet. Die Tragstruktur 32 weist hierbei drei Rippen 33 auf, die in einem jeweiligen Kontaktbereich 36 das Schwingelement 16 bzw. das Messrohr 9 kontaktieren. Die Ab- stände 20 zwischen den Mitten dieser Kontaktbereiche 36 sind wiederum ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge der anzuregenden geführten Welle. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen sind die Rippen 33 jedoch gekrümmt. Dies führt dazu, dass die Ausbreitungsrichtung der geführten Welle entlang der Rippen 33 lokal unterschiedlich ist. Wie durch die Pfeile 34, 37 dargestellt ist, resultiert hieraus in eine Abstrah- lungsrichtung eine Abstrahlung der geführten Welle in einem sich öffnenden Winkelbereich und in die andere Abstrahlungsrichtung eine Fokussierung der geführten Welle.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau des Ultraschallwandlers 5. Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist die Tragstruktur in diesem Ausführungsbei- spiel aus separaten Komponenten 38 gebildet, die nicht über Verbindungsabschnitte verbunden sind. Eine Nutzung von Verbindungsabschnitten erleichtert zwar die Anordnung der einzelnen Komponenten am Messrohr, diese Verbindungsabschnitte sind jedoch für die geschilderte Funktion nicht erforderlich. In Fig. 6 ist ein weiterer alternativer Aufbau des Ultraschallwandlers 5 dargestellt. Der Aufbau entspricht hierbei weitgehend dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Aufbau, wobei statt eines gemeinsamen Schwingelements 16, das auf beiden Rippen 26, 27 der Tragstruktur 19 aufliegt, separate Schwingelemente 39, 40 genutzt werden. Somit weist der Ultraschallwandler 5 mehrere piezoelektrische Schwingelemente 39, 40 auf, die in voneinan- der beabstandeten Kontaktbereichen 41 , 42 mit dem Messrohr 3 bzw. der Seitenwand 9 gekoppelt sind. Die beiden Schwingelemente 39, 40 können durch die Steuereinrichtung 2 gemeinsam angesteuert werden. Vorzugsweise sind die beiden messrohrabgewandten Elektroden und/oder die beiden messrohrzugewandten Elektroden der Schwingelemente 39, 40 jeweils miteinander verbunden. Es kann somit eine phasensynchrone Anregung der Schwingelemente 39, 40 erfolgen.
Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit, den Ultraschallwandler 5 robust am Messrohr zu befestigen. Hierbei wird ein Tragegestell 44 genutzt, das in einem Abschnitt des Tragegestells 44 die Tragstruktur 43 ausbildet. Die Tragstruktur wird durch Kopplungsabschnitte 45 gebildet, die in Richtung senkrecht zur Seitenwand 9 über einen Rahmen 35 hinausragen, womit das Schwingelement 16 und die Seitenwand 9 ausschließlich über diese Kopplungsabschnitte kontaktiert werden. Die Kopplungsabschnitte entsprechen ihrer Form den Rippen 33 in Fig. 4. Um das Schwingelement 16 zu haltern, weist das Tragegestell 44 Rastabschnitte 46 auf, durch die das Schwingelement 16 verrastet wird. Eine Halterung am Rohr erfolgt über Vorsprünge 47, nämlich Rastnasen, die in Ausnehmungen des Messrohrs eingreifen.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine separat von dem Messrohr 3 ausgebildete Tragstruktur genutzt, um zu erreichen, dass das Schwingelement ausschließlich über voneinander beabstandete Kontaktbereiche bzw. Anregungsbereiche mit der Seitenwand 9 gekoppelt wird. Alternativ ist es jedoch möglich, entsprechende Strukturen direkt an der Seitenwand 9 vorzusehen. Ein erstes Beispiel hierfür ist in Fig. 8 dargestellt. Die Seitenwand 9 weist hierbei zwei Vorsprünge 48 auf, die über eine jeweilige vis- kose Schicht 49 mit dem Schwingelement 16 gekoppelt sind. Hierdurch werden, genau wie zu Fig. 2 und 3 erläutert, zwei Kontaktbereiche 17, 18 ausgebildet, wobei eine modenselektive Anregung durch Wahl eines entsprechenden Abstandes 20 zwischen den Mitten 21 , 22 in diese Kontaktbereiche 1 , 18 erreicht werden kann, wie bereits erläutert wurde.
Eine entsprechende Kontaktstruktur zur Ausbildung der Kontaktbereiche 17, 18 kann auch dadurch erzeugt werden, dass Ausnehmungen 50 in die Seitenwand 9 des Messrohrs 3 eingebracht werden. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9 zeigt zudem eine Kontak- tierung des Schwingelements 16 über die Seitenwand 9 und die leitfähige viskose Schicht 49. Bezugszeichenliste
1 Messeinrichtung
2 Steuereinrichtung
3 Messrohr
4 Innenraum
5 Ultraschallwandler
6 Ultraschallwandler
7 Pfeil
8 Ultraschallstrahl
9 Seitenwand
10 Dicke
11 Pfeil
12 Seitenwand
13 Pfeil
14 Rayleigh-Winkel
15 Ultraschallwandler
16 Schwingelement
17 Kontaktbereich
18 Kontaktbereich
19 Tragstruktur
20 Abstand
21 Mitte
22 Mitte
23 Doppelpfeil
24 messrohrabgewandte Seite
25 messrohrzugewandte Seite
26 Rippe
27 Rippe
28 Verbindungsabschnitt
29 Schicht
30 Schicht
31 Partikel
32 Tragstruktur
33 Rippe Pfeil
Rahmen
Kontaktbereich Pfeil
Komponente Schwingelement Schwingelement Kontaktbereich Kontaktbereich Tragstruktur Tragegestell Kopplungsabschnitt Rastelement Vorsprung
Vorsprung viskose Schicht Ausnehmung

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids bereffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem das Fluid aufnehmenden und/oder von dem Fluid durchströmbaren Messrohr (3) und einem ersten und einem zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15), wobei durch die Steuereinrichtung (2) der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) ansteuerbar sind, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) führbar und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfassbar sind, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils ein
Schwingelement (16) umfassen, das in mehreren voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (17, 18) des Schwingelements (16) mit dem Messrohr (3) oder mit einer zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordneten Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist,
- oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, die in voneinander beabstandeten Kontaktbereichen (41 , 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr (3) gekoppelten Tragstruktur ( 9, 32, 43) mit dem Messrohr (3) oder der Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt sind.
2. Messeinrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (20) zwischen den Mitten (21 , 22) wenigstens zweier Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (5, 6, 15) in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der geführten Welle entspricht.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der geführten Welle gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingelements (16) oder der Schwingelemente (39, 40) ist. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er derart ausgebildet ist, dass über zwei Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (5, 6, 15) eine Anregung des Messrohres (3) mit einem Phasenversatz von 90° erfolgt, wobei der Abstand (20) zwischen den Mitten (21 , 22) der beiden Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle die Summe aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge und einem Viertel der Wellenlänge der geführten Welle ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (19, 32, 43) wenigstens zwei voneinander beab- standete Rippen (26, 27, 33) aufweist, die durch wenigstens einen Verbindungsabschnitt (28) verbunden sind, wobei das Schwingelement (16) oder die Schwingelemente (39, 40) ausschließlich auf den Rippen (26, 27, 33) aufliegen.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (26, 27, 33) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der geführten Welle erstrecken.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (3) im Bereich des ersten und/oder des zweiten Ultraschallwandlers (16, 39, 40) eine Kontaktstruktur aufweist, die mehrere Vorsprünge (48) und/oder wenigstens eine Ausnehmung (50) aufweist, wobei die Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) ausschließlich im "Bereich der Vorsprünge (48) und/oder außerhalb des Bereichs der Ausnehmung (50) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) jeweils eine konstante Länge in Ausbreitungsrichtung der geführten Welle aufweisen und/oder dass alle Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) eine gleiche vorgegebene Breite senkrecht zur Anregungsrichtung aufweisen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (17, 18, 41 , 42) gekrümmt sind. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (16) oder die Schwingelemente (39, 40) über eine viskose Schicht (31 , 49) mit dem Messrohr (3) oder der oder der jeweiligen Tragstruktur (19, 32, 43) gekoppelt ist oder sind und/oder dass die Tragstruktur (19, 32, 43) oder die Tragstrukturen (19, 32, 43) über eine viskose Schicht (29) mit dem Messrohr (3) gekoppelt ist oder sind,
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (43) als Abschnitt eines an dem Messrohr angeordneten Tragegestells (44) ausgebildet ist, das das Schwingelement (16) oder das jeweilige Schwingelement (39, 40) oder die Schwingelemente (39, 40) trägt, wobei durch das Tragegestell (44) wenigstens ein Kopplungsabschnitt (45) ausgebildet ist, wobei das Tragegestell abgesehen von dem Kopplungsabschnitt (45) von dem Schwingelement (16) oder den Schwingelementen (39, 40) und/oder von der Seitenwand (7) des Messrohrs (3), in die die geführte Welle einzukoppeln ist, beabstandet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Tragegestell (44) wenigstens ein Rastelement (46) aufweist, um das Schwingelement (16) oder das jeweilige Schwingelement (39, 40) oder die Schwingelemente (39, 40) an dem Tragegestell (44) zu verrasten.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragegestell (44) wenigstens einen Vorsprung (47) aufweist, der in eine Ausnehmung des Messrohres (3) eingreift oder umgekehrt.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur ( 9, 32, 43) und/oder die Vorsprünge (48) und/oder die Ausnehmung (50) des Messrohrs (3) eine Ausdehnung senkrecht zu der Seitenwand (9) des Messrohrs (3), in die die geführte Welle einzukoppeln ist, aufweist oder aufweisen, die maximal halb so groß ist, wie die Wellenlänge jener Welle in dem Material der Tragstruktur (19, 32, 43) oder der Seitenwand (9), die die gleiche Frequenz aufweist, wie die geführte Welle. Verfahren zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Messeinrichtung (1), die eine Steuereinrichtung (2), ein das Fluid aufnehmendes und/oder von dem Fluid durchströmbares Messrohr (3) und einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet an dem Messrohr (3) angeordneten Ultraschallwandler (5, 6, 15) umfasst, wobei durch die Steuereinrichtung (2) der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) angesteuert werden, um eine durch eine Seitenwand (9) des Messrohrs (3) geführte Welle anzuregen, wobei die geführte Welle Kompressionsschwingungen des Fluids anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen Ultraschallwandler (5, 6, 15) geführt und dort durch die Steuereinrichtung (2) zur Ermittlung von Messdaten erfasst werden, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung (2) in Abhängigkeit der Messdaten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- entweder der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 5) jeweils ein Schwingelement (16) umfassen, durch das über mehrere voneinander beab- standete Kontaktbereiche (17, 18) des Schwingelements (16) Schwingungen in das Messrohr (3) oder in eine zwischen dem Messrohr (3) und dem Schwingelement (16) angeordnete Tragstruktur (19, 32, 3) eingekoppelt werden,
- oder dass der erste und/oder der zweite Ultraschallwandler (5, 6, 15) jeweils mehrere Schwingelemente (39, 40) umfassen, durch die in voneinander beab- standete Kontaktbereiche (41 , 42) des Messrohrs (3) oder einer mit dem Messrohr gekoppelten Tragstruktur (19, 32, 43) Schwingungen eingekoppelt werden.
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