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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallzähler zur
Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums, insbesondere
einer Flüssigkeit
oder eines Gases mit einem Gehäuse,
einer innerhalb des Gehäuses
angeordneten Messstrecke, entlang der eine Laufzeitmessung durchführbar ist,
mindestens einem Ultraschallwandler, dessen Ultraschallwelle entweder
unmittelbar oder nach Umlenkung durch einen Spiegel in die Messstrecke
gelangt, wobei der Ultraschallwandler oder der Spiegel im wesentlichen
geradlinig angeströmt und/oder
umströmt
wird.
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Ein
entsprechender Ultraschallzähler
ist bereits aus
DE
94 20 760 U1 bekannt. Die Ultraschallwelle wird hierbei
mittels eines Ultraschallwandlers, welcher im Gehäuse des
Ultraschallzählers
sitzt, erzeugt und über
einen einseitig umströmten
Spiegel in die Messstrecke umgelenkt. Es hat sich herausgestellt,
dass aufgrund der Strömungsaufteilung
am Spiegel oder bei einem mediumumströmten Wandler aufgrund der Strömungszusammenführung stromabseitig
des Spiegels bzw. Wandlers aufgrund unterschiedlicher Strömungsimpulse
Sekundärströmungen,
insbesondere Querströmungen
oder sogar rückwärts gerichtete
Strömungen,
entstehen, die das Messergebnis des Ultraschallzählers nachteilig beeinträchtigen.
Diese Sekundärströmungen können sowohl
stationäre
als auch instationäre
Zustände aufweisen.
Ferner ist es aus der
DE
10 2004 010 408 A1 und der
DE 103 27 07 GB3 bekannt, derartige Sekundärströmungen durch
einen kegelförmigen
oder gerundeten Einlass in die Messstrecke zu verhindern oder reduzieren.
Ein solcher Einlass hat allerdings den gravierenden Nachteil, dass
die Ultraschallwelle an diesem reflektiert und hierdurch unvorteilhafte Interferenzen
mit der Hauptwelle entstehen, die ebenfalls das Messergebnis des
Ultraschallzählers
nachteilig beeinträchtigen.
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Die
DE 199 30 278 C2 beschreibt
einen Ultraschallzähler
mit in der Rohrwandung befindlichen Ultraschallwandlern sowie Reflektoren
zur Umlenkung der vom Ultraschallwandler ausgehenden Ultraschallimpulse
in die Messstrecke. Die Reflektoren erstrecken sich über den
gesamten Querschnitt des Messgehäuses
und besitzen mehrere Strömungsöffnungen,
deren Achsen parallel zur Strömungsrichtung
verlaufen. Die Strömungsöffnungen
sind dazu vorgesehen, die Flüssigkeit
vom Einlauf direkt durch die Reflektoren hindurch in die Messstrecke
zu leiten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuartigen
Ultraschallzähler
zur Verfügung
zu stellen, bei dem die vorgenannte Verschlechterung der Messgenauigkeit
aufgrund störender
Strömungen
nicht mehr eintreten kann, ohne dabei das Ultraschallsignal nachteilig
zu beeinflussen.
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Die
vorliegende Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Ultraschallzähler dadurch
gelöst, dass
auf der Einlaufseite im Bereich der Einlassöffnung der Messstrecke am Rand
oder außerhalb
des aktiven Strömungsraums
nach dem strömungsteilenden
Element (Wandler oder Spiegel) Strömungsleitmittel vorgesehen
sind, die die Ausbildung von Sekundärströmungen in Querrichtung, Gegenrichtung oder
zumindest schräg
zur Längsachse
des Gehäuses
verhindern oder zumindest reduzieren oder unschädlich machen. Diese Mittel
haben den Vorteil, dass keine wesentlichen Reflexionen des Ultraschallsignals
entstehen. Dadurch, dass im Bereich der Einlassöffnung der Messstrecke zwischen
dem umströmten
Wandler bzw. umströmten
Spiegel, dem Gehäuse,
also im Strömungsraum
der Einlaufseite Strömungsleitmittel
vorgesehen sind, die die Ausbildung von Strömungen in Querrichtung oder
schräg zur
Längsachse
des Gehäuses
bzw. der Messstrecke verhindern oder reduzieren, wird der Grad dieser das
Messergebnis beeinträchtigenden
Störströmungen reduziert
und die Messgenauigkeit des Ultraschallzählers erhöht. Von der Idee ist es auch
umfasst, dass die Strömungsleitmittel
nachteilige Strömungen,
also solche Strömungen,
die nicht parallel zur Messstrecke verlaufen, in Bereiche ablenken,
wo sie auf das Messergebnis keinen Einfluss mehr haben.
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Dadurch,
dass sich die Mittel im Strömungsraum
der Einlaufseite (also zwischen mediumumströmtem Ultraschallwandler bzw.
Spiegel und der Messstrecke bzw. Befestigung des Messrohrs) zur Messstrecke,
d. h. zum Messrohr, befinden, werden vor allem auch Rückstau-bedingte
Rückströmungen durch
die Strömungsleitmittel
derart beeinflusst, dass sie das Messergebnis nicht verschlechtern.
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Derartige
Rückströmungen treten
vor allem im Bereich des Zwischenraums zwischen Messstrecke bzw.
Messrohr und dem Gehäuse
auf. Solche Toträume
sind in der Regel konstruktiv bedingt. Es handelt sich hierbei um
Bereiche, in denen sich die Hauptströmung ablöst.
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Zweckmäßigerweise
befinden sich die Strömungsleitmittel
entlang des Umfangs der Messstrecke bzw. des Messrohrs – insbesondere
symmetrisch – verteilt,
so dass eine Rückströmung, die
beispielsweise entlang des Messrohrs zurück in Richtung umströmten Wandler
bzw. umströmten
Spiegel verläuft, gleichgerichtet
d. h. linearisiert wird.
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Derartige
Mittel teilen zweckmäßigerweise die
gesamten Strömungsquerschnitt
in einzelne Taschen auf, so dass eine störende Strömung, z. B. Rückströmung gleichgerichtet
wird, wenn sie durch die betreffenden Taschen hindurchströmt. Diese
Taschen bewirken auch, dass Ultraschallsignale nicht mehr in die
Messstrecke zurück
gelangen können.
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Die
Taschen können
z. B. eine sich verbreiternde Form haben, beispielsweise durch strahl-
bzw. sternförmig
verlaufende Stege.
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Alternativ
hierzu können
die Taschen auch durch im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufende
Stege gebildet werden.
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Die
Strömungsleitmittel
können
gemäß einer weiteren
Ausgestaltung auch als Lochplatte ausgestaltet sein. Hierdurch wird
ein Sekundärraum
gebildet, in den durch darin vorgesehene Durchbrechungen schädliche Sekundärströmungen überführt werden,
die sich dort totlaufen, d. h. keinen schädlichen Einfluss auf die Gegebenheiten
in der Messstrecke mehr nehmen können.
In einem durch die Strömungsleitplatte
insbesondere Lochplatte gebildeten Hinterraum werden zudem partielle
Druckdifferenzen durch Sekundärströmung ausgeglichen.
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Alternativ
kann durch die Ausbildung der Lochplatte, d. h. beispielsweise durch
die Richtung der Durchbrechungen in der Lochplatte, erreicht werden,
dass die Sekundärströmung lediglich
in Bereiche zurückgelangt,
in denen keine Beeinträchtigung der
Hauptströmung
mehr erfolgt.
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Zweckmäßigerweise
können
die Strömungsleitmittel
integraler Bestandteil des Messrohrs oder des Gehäuses sein.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei der das Gehäuse, die
Strömungsleitmittel
und das Messrohr als ein Bauteil (welches gegebenenfalls aus zwei
Schalen zusammensetzbar ist) ausgebildet ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strömungsleitmittel
derart ausgebildet sind, dass sie das Ultraschallsignal, welches
ausgewertet wird, nicht beeinflussen, insbesondere nicht reflektieren.
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Weiterhin
können
die Strömungsleitmittel auch
aus schallweichem, d. h. Schall nicht reflektierendem Material,
insbesondere aus Kunststoff oder Elastomer bestehen.
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In
Bezug auf die Lochplatte kann dies dadurch erreicht werden, dass
eine membranartige Lochplatte verwendet wird oder die Lochplatte
aus schalldurchlässigem
Material wie z. B. Kunststoff besteht.
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In
diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn die Stärke der
Strömungsleitmittel
bzw. Stege kleiner als die zweifache, insbesondere einfache Wellenlänge der
Ultraschallwelle ist, so dass die Ultraschallwelle durch den Strömungsquerschnitt
der Strömungsleitmittel
bzw. Stege nicht wesentlich beeinflusst wird.
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Nachstehend
werden zweckmäßige Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Zeichnungsfiguren
näher erläutert. Sich wiederholende
Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber
mit gleichbleibenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine
Teilschnittdarstellung durch eine Ausgestaltung eines Ultraschallzählers gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Schnittdarstellung entlang der Ebene A-A der Ausgestaltung nach 1;
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3 eine Teilschnittdarstellung durch verschiedene
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ultraschallzählers im
Bereich des Einlaufs der Messstrecke (3A–3C);
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4 eine
Schnittdarstellung der Ausgestaltung des Ultraschallzählers nach 3 in der Ebene B-B;
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5 eine
Schnittdarstellung durch eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung im Bereich des Einlaufs der Messstrecke;
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6 eine
Schnittdarstellung durch eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung im Bereich des Einlaufs der Messstrecke;
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7 eine
Teilschnittdarstellung durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallzählers im
Bereich des Einlaufs der Messstrecke.
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Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet
einen Ultraschallzähler
gemäß dem Stand
der Technik. Die Darstellung gemäß 1 ist
eine Teildarstellung eines Ultraschallzählers 1. Sie zeigt
lediglich den Einlaufbereich der Messstrecke 3. Der Ultraschallzähler umfasst
ein röhrenförmiges Gehäuse 2,
welches in einer darin befindlichen Ausnehmung den Ultraschallwandler 12 beherbergt.
Der Ultraschallzähler 1 umfasst
des weiteren an der Oberseite des Spiegels 4 eine Strömungsleiteinrichtung,
die bewirkt, dass die an der Rückseite
des Spiegels 4 eintreffende Strömung in eine Strömungsrichtung
parallel zur Spiegeloberfläche
umgeleitet wird.
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Im
Inneren des Gehäuses
befindet sich ein schräg
gestellter Spiegel 4, welcher dazu dient, die vom Ultraschallwandler 12 ausgesandte
Ultraschallwelle um einen Winkel von 90° umzulenken, so dass die Ultraschallwelle
nach der Umlenkung in Längsrichtung
zum Gehäuse 2 verläuft. Hierzu
wird der Spiegel 4 mittels eines in das Gehäuse 2 eingesetzten
Spiegelhalters 13 in Position gehalten.
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Der
Spiegelhalter 13 ist aus zwei (in 1 nicht
sichtbaren Schalen) aufgebaut und umfasst eine umlaufende Ausnehmung
zur Fixierung des radial vorstehenden, umlaufenden Vorsprungs des Messrohrs 11.
Eine entsprechende Anordnung befindet sich auch an dem anderen (nicht
dargestellten) Ende des Ultraschallzählers 1.
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Die
vorbeschriebene Anordnung macht es möglich, dass das den Ultraschallzähler 1 durchströmende Medium,
z. B. Wasser, linear d. h. parallel zur Längsrichtung des Gehäuses 2 bzw.
Messrohrs 11 die Rückseite
des Spiegels 4 anströmt,
diesen umströmt
und in den Strömungsraum 6 einströmt.
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Es
wurde nun festgestellt, dass bei dieser linearen Anströmung, bei
der das strömende
Medium den Spiegel 4 allseitig umströmt, insbesondere aufgrund der
Strömungszusammenführung nach
dem Spiegel im Bereich des Messrohrs sekundäre Querströme (in 2 gestrichelte
Pfeile) entstehen. Je freiräumiger
der Strömungsraum 6 um
den Spiegel 4 herum ausgebildet ist, desto intensiver entstehen diese
Querströmungen.
Vor allem entstehen diese Querströmungen auch in dem Totraum 7 am
Rand des Strömungsraums 6,
z. B. zwischen dem Messrohr 11 und dem Gehäuse 2 (vgl. 2).
In diesem Bereich löst
sich die Hauptströmung
ab, es bilden sich Sekundärströmungen.
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Nach
der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nach 3 sind
im Bereich des Messrohrs 11 im Strömungsraum 6 Strömungsleitmittel
z. B. in Form von Stegen 9 vorgesehen, die bei einer Rückströmung die
schräg
oder quer verlaufenden Strömungskomponenten
blockieren. Diese Stege 9 sind als längliche, schmal ausgebildete
Stege zwischen dem Gehäuse 2 und
dem Messrohr 11 angeordnet. Sie können den dazwischen befindlichen
Raum vollständig
ausfüllen
(3A und 3C) oder
aber auch lediglich über
einen Teilbereich vorgesehen sein (3B). Bei
der Ausgestaltung der 3C besitzen die Stege 9 eine
Einlaufkontur. Zudem ist die Stirnfläche keilförmig ausgebildet, um die Schallwelle möglichst
nicht zu beeinträchtigen,
d. h. Reflektionen zu vermeiden.
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Wie
aus 4 (das Gehäuse 2 besitzt
dort eckige Form) deutlich wird, befinden sich die Strömungsleitmittel
d. h. Stege 9 insbesondere in symmetrischer Anordnung entlang
des Umfangs um das Messrohr 11 herum. Hierdurch werden
einzelne Taschen 8 gebildet, innerhalb welcher die durch
die Taschen 8 zurückströmende Strömung (Rückströmung) im
wesentlichen gleichgerichtet wird. Bei dieser Ausgestaltung laufen
die Stege 9 vom Gehäuse 2 bis zum
Messrohr 11. Auch bei dieser Ausgestaltung besitzen die
Stege 9 an ihrer der Strömung zugewandten Stirnseite
eine keilförmige
Ausbildung.
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Die
Ausgestaltungen nach den 5 und 6 zeigen
jeweils unterschiedliche Anordnungen der Stege 9 zur Erzeugung
unterschiedlicher Taschen 8. Die Taschen 8 sind
bei der Ausgestaltung nach 5 rechtwinklig
ausgebildet und bei der Ausgestaltung nach 6 (bis auf
den Teilbereich des Messrohrs 11) quadratisch ausgebildet.
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7 zeigt
als Strömungsleitmittel
eine insbesondere schalldurchlässige
Lochplatte 10, die eine Mehrzahl von einzelnen Öffnungen 15 aufweist. Durch
diese Öffnungen 15 wiederum
strömt
das strömende
Medium hindurch, wobei im dahinter befindlichen Raum (Rückraum 16)
Verwirbelungen d. h. Sekundärströmungen entstehen,
die allerdings aufgrund der Lochplatte 10 keinen schädlichen
Einfluss mehr ausüben
können.
Auch werden hierdurch partielle Druckdifferenzen aufgrund der im
Rückraum 16 sich
entwickelnden Sekundärströmung ausgeglichen.
Die Öffnungen 15 können (dies
ist nicht in 7 dargestellt) vom Totraum 7 aus
betrachtet nach außen,
d. h. zum Gehäuse 2 hin
verlaufend orientiert sein, wodurch die aus dem Totraum 7 wieder austretende
Sekundärströmung die
Hauptströmung nicht
mehr negativ beeinträchtigen
kann.
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Die
betreffenden Strömungsleitmittel
d. h. Stege können
einstückig
mit dem Messrohr 11 oder dem Gehäuse 2 ausgebildet
sein. Ebenso gut kann das Gehäuse 2,
die Strömungsleitmittel
sowie das Messrohr 11 einstückig (gegebenenfalls aufgebaut aus
zwei Längsschalen)
konzipiert sein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können sich
zwischen den einzelnen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
unterscheidende Merkmale untereinander ausgetauscht werden, ohne
dass das Prinzip der Erfindung hierdurch verlassen wird. Beliebige
Kombinationen von Merkmalen der einzelnen Ausgestaltungen sind ausdrücklich vom
Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung gewährleistet durch
die wirksame Unterbindung von Sekundärströmungen im Bereich der Einlassöffnung der
Messstrecke eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit von Ultraschallzählern im
Vergleich zu herkömmlichen
Zählern.
Die Erfindung schafft daher einen wichtigen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet
der Technik.
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- 1
- Ultraschallzähler
- 2
- Gehäuse
- 3
- Messstrecke
- 4
- Spiegel
- 5
- Einlassöffnung
- 6
- Strömungsraum
- 7
- Totraum
- 8
- Tasche
- 9
- Steg
- 10
- Lochplatte
- 11
- Messrohr
- 12
- Ultraschallwandler
- 13
- Spiegelhalter
- 14
- Strömungsleiteinrichtung
- 15
- Öffnung
- 16
- Rückraum