WO2023156241A1

WO2023156241A1 - Ultraschallwandler und clamp-on-ultraschall-messgerät

Info

Publication number: WO2023156241A1
Application number: PCT/EP2023/052865
Authority: WO
Inventors: Beat Kissling; Quirin MÜLLER
Original assignee: Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2023-08-24
Also published as: DE102022103953A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (10) eines Clamp-On-Ultraschallmessgeräts (1) zum Messen einer Messgröße eines in einem Messrohr (50) befindlichen Mediums, umfassend: ein Wandlerelement (12) zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen; ein Gehäuse (11) mit einer Gehäusekammer (11.1), in welcher Gehäusekammer das Wandlerelement angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest zwei zweite Auflagepunkte (11.2) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden; einen Ausleger (13), welcher zumindest zwei erste Auflagepunkte (13.2) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden, wobei der Ausleger einen Mittenbereich (13.12), ein erstes Ende (13.11) und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende (13.13) aufweist, wobei das erste Ende mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, auf dem Messrohr gelagert zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Mittenbereich des Auslegers eine Magnetvorrichtung (14) angeordnet ist, mittels welcher der Ultraschallwandler an einem magnetischen Messrohr fixierbar ist.

Description

Ultraschallwandler und Clamp-On-Ultraschall-Messgerät

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler und ein Clamp-On-Ultraschall-Messgerät.

Die sichere und robuste Befestigung von Clamp-On-Ultraschallwandlern an Messrohren ist ein bislang nicht vollständig befriedigend gelöstes Problem.

Beispielsweise wird dies wie in der DE102004052489A1 gezeigt über Spanngurte bewerkstelligt, was jedoch zumindest bei größeren Messrohrdurchmessern schnell unhandlich wird.

Alternativ werden mehrere Magnete eingesetzt, welche in räumlicher Nähe des Ultraschallwandlers umfänglich um den Ultraschallwandler herum angeordnet werden, siehe beispielsweise die US8151651 B1 , oder parallel zu einer Messrohrachse, siehe die US4735097.

Jedoch sind die Materialkosten von Magneten nicht günstig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und robuste Befestigung eines Clamp-On- Ultraschallwandlers mittels eines einzigen Magneten vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallwandler gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 9.

Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eines Clamp-On-Ultraschall-Messgeräts zum Messen einer Messgröße eines in einem Messrohr befindlichen Mediums, umfasst: ein Wandlerelement zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen; ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer, in welcher Gehäusekammer das Wandlerelement angeordnet ist; einen Ausleger, welcher zumindest zwei erste Auflagepunkte aufweist, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden, wobei der Ausleger einen Mittenbereich, ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei im Mittenbereich des Auslegers eine Magnetvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher der Ultraschallwandler an einem magnetischen Messrohr fixierbar ist, wobei der Magnet zwischen den ersten Auflagepunkten und dem Gehäuse angeordnet ist.

Auf diese Art und Weise kann der Ultraschallwandler stabil und sicher auf einem magnetischen Messrohr befestigt werden. In einer Ausgestaltung weist die Magnetvorrichtung einen Magnet und eine Befestigungsvorrichtung auf, mittels welcher Befestigungsvorrichtung der Magnet am Ausleger fixiert ist.

Beispielsweise kann ein solcher Magnet Neodym aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Magnet als Topfmagnet ausgestaltet sein.

In einer Ausgestaltung weist die Befestigungsvorrichtung eine Befestigungsstange auf, welche an einem ersten Ende der Befestigungsstange in eine Bohrung des Magnets eingeführt und mit dem Magnet in axialer Richtung fest verbunden ist, wobei die Befestigungsstange durch eine Öffnung des Auslegers verläuft, wobei an einem zweiten Ende der Befestigungsstange eine Aufnahme der Befestigungsstange wie beispielsweise eine Mutter befestigt ist, welche dazu eingerichtet ist, eine durch den Magnet vermittelte Kraft auf den Ausleger zu übertragen.

Die Verbindung zwischen Magnet und Befestigungsstange bzw. Aufnahme der Befestigungsstange und Befestigungsstange kann beispielsweise über Gewinde, oder über eine Nut- Eingriffsverbindung, über einen Schnappmechanismus oder ähnlichem erfolgen.

In einer Ausgestaltung sind die ersten Auflagepunkte sowie die zweiten Auflagepunkte bzgl. einer Längsschnittebene des Gehäuses jeweils spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

Auf diese Art und Weise kann der Ultraschallwandler besonders stabil und sicher auf einem magnetischen Messrohr befestigt werden.

In einer Ausgestaltung weist das Gehäuse zumindest zwei zweite Auflagepunkte auf, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden;

Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Messgerät umfasst: zumindest zwei Ultraschallwandler gemäß einem der vorigen Ansprüche, welche an einem magnetischen Messrohr angeordnet sind; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Erfassen von Messsignalen der Ultraschallwandler und Bereitstellen von Messwerten einer Messgröße, wobei zumindest zwei Ultraschallwandler verschiedener Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale untereinander beispielsweise nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip zu versenden und zu empfangen.

Magnetische Messrohre können beispielsweise aus einem kohlenstoffhaltigen Stahl gefertigt sein.

In einer Ausgestaltung liegen ein Auflagepunkt des Magnets auf dem Messrohr und ein Auflagepunkt des Wandlerelements auf dem Messrohr in einer Ebene durch eine Messrohrlängsachse. In einer Ausgestaltung hat das Messrohr einen Außendurchmesser von mindestens 200 Millimeter.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Figs. 1 a) bis 1 d) zeigen verschiedene Ansichten und einen Schnitt eines beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

Fig. 2 a) skizziert einen Schnitt durch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall- Messgerät und Fig. 2 b) skizziert einen Schnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit Wandlerelement.

Fig. 1 a) zeigt eine Schrägansicht auf einen beispielhaften erfindungsgemäßen, an einem magnetischen Messrohr 50 angeordneten Ultraschallwandler 10. Der Ultraschallwandler weist ein Gehäuse 11 für ein Wandlerelement 12 auf, welches in einer Gehäusekammer 11.1 des Gehäuses angeordnet ist, siehe auch Fig. 1 b). Das Gehäuse kann wie hier gezeigt zweite Auflagepunkte 11 .2 aufweisen, mittels welchen es auf dem Messrohr aufliegt. Ein mit dem Gehäuse verbundener Ausleger 13 weist erste Auflagepunkte 13.2 auf, mittels welchen der Ausleger auf dem Messrohr aufliegt. Wie hier gezeigt, können Gehäuse und Ausleger einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann der Ausleger auch lösbar befestigt mit dem Gehäuse verbunden sein. Der Ausleger weist ein mit dem Gehäuse verbundenes erstes Ende 13.11 , einen Mittenbereich 13.12 und ein zweites Ende 13.13 auf, wobei die zweiten Auflagepunkte im Bereich des zweiten Endes befindlich sind. Erfindungsgemäß ist eine Magnetvorrichtung 14 im Mittenbereich dazu vorgesehen, den Ultraschallwandler am magnetischen Messrohr zu befestigen.

Wie in Fig. 1 b) gezeigt, weist die Magnetvorrichtung einen mit dem Messrohr 50 kontaktierten Magnet 14.1 auf, wobei bevorzugt eine Auflagelinie des Magnets auf dem Messrohr und eine Auflagelinie des Wandlerelements auf dem Messrohr in einer Ebene durch eine Messrohrlängsachse liegen. Beispielsweise kann ein solcher Magnet Neodym aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Magnet wie hier gezeigt als Topfmagnet ausgestaltet sein. Eine Befestigungsvorrichtung 14.2 fixiert den Magnet am Ausleger, wobei die Befestigungsvorrichtung 14.2 eine Befestigungsstange 14.21 aufweist, welche an einem ersten Ende 14.211 der Befestigungsstange in eine Bohrung des Magnets eingeführt und mit dem Magnet in axialer Richtung fest verbunden ist, wobei die Befestigungsstange durch eine Öffnung des Auslegers verläuft, wobei an einem zweiten Ende 14.212 der Befestigungsstange eine Aufnahme der Befestigungsstange 14.3 wie beispielsweise eine Mutter befestigt ist, welche dazu eingerichtet ist, eine durch den Magnet vermittelte Kraft auf den Ausleger zu übertragen. Die Verbindung zwischen Magnet und Befestigungsstange bzw. Aufnahme der Befestigungsstange und Befestigungsstange kann beispielsweise über ein Gewinde, oder über eine Nut- Eingriffsverbindung, über einen Schnappmechanismus oder ähnlichem erfolgen. Fig. 1 c) zeigt eine Frontansicht auf den Ultraschallwandler mit den ersten Auflagepunkten 11 .2, und Fig. 1 d) zeigt eine Rückansicht mit den zweiten Auflagepunkten 13.2.

In einer Ausgestaltung sind die ersten Auflagepunkte 11.2 sowie die zweiten Auflagepunkte 13.2 bzgl. einer Längsschnittebene des Gehäuses und insbesondere bzgl. einer Ebene durch eine Messrohrlängsachse jeweils spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.

Fig. 2 a) skizziert einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes Clamp-On-Ultraschall-Messgerät 1 mit zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 10, welche an einer Außenseite des Messrohrs 50 angeordnet sind, und mit einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler, zum Erfassen und Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler sowie zum Bereitstellen von Messwerten.

Ultraschallwandler eines Clamp-On-Ultraschall-Messgeräts können Ultraschallsignale untereinander beispielsweise nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip versenden und empfangen.

Fig. 2 b) skizziert eine Vergrößerung des Längsschnitts von Fig. 2 a) durch einen Ultraschallwandler 10, wobei ein Wandlerelement 12 durch eine Halterung in der Gehäusekammer 11.1 des Gehäuses gehalten ist.

Bezugszeichenliste

1 Clamp-On-Ultraschall-Messgerät

10 Ultraschallwandler

11 Gehäuse

11.1 Gehäusekammer

11.2 zweite Auflagepunkte

12 Wandlerelement

12.1 Halterung für Wandlerelement

13 Ausleger

13.11 erstes Ende des Auslegers

13.12 Mittenbereich des Auslegers

13.13 zweites Ende des Auslegers

13.2 erste Auflagepunkte

14 Magnetvorrichtung

14.1 Magnet

14.2 Befestigungsvorrichtung

14.21 Befestigungsstange

14.211 erstes Ende

14.212 zweites Ende

14.3 Aufnahme der Befestigungsstange

20 elektronische Mess-/Betriebsschaltung

50 Messrohr

Claims

Patentansprüche

1. Ultraschallwandler (10) eines Clamp-On-Ultraschallmessgeräts (1) zum Messen einer Messgröße eines in einem Messrohr (50) befindlichen Mediums, umfassend: ein Wandlerelement (12) zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen; ein Gehäuse (11) mit einer Gehäusekammer (11.1), in welcher Gehäusekammer das Wandlerelement angeordnet ist, einen Ausleger (13), welcher zumindest zwei erste Auflagepunkte (13.2) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr (50) kontaktiert zu werden, wobei der Ausleger (13) einen Mittenbereich (13.12), ein erstes Ende (13.11) und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende (13.13) aufweist, wobei das erste Ende (13.11) mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Mittenbereich des Auslegers (13) eine Magnetvorrichtung (14) mit einem, insbesondere genau einem, Magnet (14.1) angeordnet ist, mittels welcher der Ultraschallwandler (10) an einem magnetischen Messrohr (50) fixierbar ist, wobei der Magnet (14.1) zwischen den ersten Auflagepunkten und dem Gehäuse (11) angeordnet ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 , wobei die Magnetvorrichtung (14) eine Befestigungsvorrichtung (14.2) aufweist, mittels welcher Befestigungsvorrichtung (14.2) der Magnet (14.1) am Ausleger (13) fixiert ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, wobei die Befestigungsvorrichtung (14.2) eine Befestigungsstange (14.21) aufweist, welche an einem ersten Ende (14.211) der Befestigungsstange in eine Bohrung des Magnets (14.1) eingeführt und mit dem Magnet (14.1) in axialer Richtung fest verbunden ist, wobei die Befestigungsstange (14.2) durch eine Öffnung des Auslegers (13) verläuft.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, wobei an einem zweiten Ende (14.212) der Befestigungsstange eine Aufnahme (14.3) der Befestigungsstange (14.2) wie beispielsweise eine Mutter befestigt ist, welche dazu eingerichtet ist, eine durch den Magnet (14.1) vermittelte Kraft auf den Ausleger (13) zu übertragen.

5. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die ersten Auflagepunkte (11 .2) sowie die zweiten Auflagepunkte (13.2) bzgl. einer Längsschnittebene des Gehäuses (11) jeweils spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei Magnet (14.1) und Wandlerelement (12) jeweils, insbesondere genau, eine Auflagelinie zur Kontaktierung mit dem Messrohr (50) aufweisen, wobei die, insbesondere genau eine, Auflagelinien dazu eingerichtet sind, in einer Ebene durch eine Messrohrlängsachse angeordnet zu werden.

7. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Magnet (14.1) eine planare Magnetfläche aufweist, in der die Auflagelinie verläuft.

8. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Gehäuse zumindest zwei, insbesondere voneinander beabstandete, zweite Auflagepunkte (11 .2) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden.

9. Clamp-On-Ultraschall-Messgerät (1) umfassend: zumindest zwei Ultraschallwandler (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, welche an einem magnetischen Messrohr angeordnet sind; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (20) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Erfassen von Messsignalen der Ultraschallwandler und Bereitstellen von Messwerten einer Messgröße, wobei mindestens zwei Ultraschallwandler der zumindest zwei Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale untereinander beispielsweise nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip zu versenden und zu empfangen.

10. Clamp-On-Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 9, wobei Magnet (14.1) und Wandlerelement (12) jeweils eine, insbesondere genau eine, Auflagelinie zur Kontaktierung mit dem Messrohr aufweisen, wobei die Auflagepunkte in einer Ebene durch eine Messrohrlängsachse liegen.

11. Clamp-On-Ultraschall-Messgerät nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Magnet (14.1) eine planare Magnetfläche aufweist, in der die Auflagelinie verläuft, wobei der Magnet (14.1) derart orientiert ist, dass beim Anordnen des Clamp-On- Ultraschallmessgerätes (1) an das Messrohr (50) die planare Magnetfläche zu einer äußeren Mantelfläche des Messrohres (50) gerichtet ist und ausschließlich die Auflagelinie in Kontakt mit der äußeren Mantelfläche des Messrohres steht und der Rest der planaren Magnetfläche beabstandet zur äußeren Mantelfläche ist.

12. Clamp-On-Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 9 bis 11 , wobei das Messrohr (50) einen Außendurchmesser von mindestens 200 Millimeter hat.