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Die
Erfindung fällt
in das Gebiet der Ultraschallmesstechnik; sie betrifft eine Vorrichtung
zur Durchflussmessung eines strömenden
Mediums, umfassend ein Einlassrohr und ein Auslassrohr, zwischen
denen eine Ultraschallmessstrecke angeordnet ist gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1; sie betrifft ferner ein Verfahren zur Durchflussmessung eines
strömenden
Mediums mittels der Ultraschallwandleranordnung gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Zähler für die Verbrauchsmessung
von Wasser, Wärme
bzw. Kälte
sind bekannt. Solche Zähler können nach
dem Laufzeitdifferenzprinzip ausgestaltet sein und weisen eine Ultraschallmessstrecke
zur Erfassung eines Durchflusses eines Mediums auf. Für eine genaue
Messung ist grundsätzlich
von Bedeutung, dass die Ultraschallmessstrecke zumindest eine entsprechende
Weglänge
aufweist, um ausgesendete Ultraschallsignale und empfangene Ultraschallsignale
mittels geeigneter Auswerteelektronik identifizieren zu können. Aus
der Laufzeitdifferenz zwischen der mitlaufenden Ultraschallmessung
in Bezug auf das strömende
Medium und der gegenläufigen
Ultraschallmessung ergibt sich dann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums.
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Typischerweise
sind Ultraschallmessrohre mit zwei Ultraschallwandlern – einer
im Zulaufbereich und einer im Ablaufbereich – ausgestattet. Zwischen ihnen
werden Ultraschallsignale gegenseitig hin und hergeschickt, um eine
Laufzeitdifferenzbestimmung durchzuführen.
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Eine
Variante mit lediglich einem einzigen Ultraschallwandler zeigt die
DE 196 49 437 C1 .
Hier ist zur Messung der Fliessgeschwindigkeit eines Mediums vorgesehen,
dass lediglich ein Schallkopf zum Einsatz gelangt. Sein ausgesendetes
Schallsignal wird vor der Einkopplung in das Medium zunächst über einen
Doppelreflektor geführt
und aufgespalten, und zwar derart, dass quasi ein ringförmig geschlossener
Schallweg mit einander entgegengerichteten Schallsignalen gegeben
ist.
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Das
Ultraschallsignal muss bei dieser Anordnung pro Senderichtung und
Messung zweimal eine Messrohrwand durchströmen, was einen entsprechenden
Signalpegel voraussetzt. Abgesehen davon treten bei der Messung
sehr kleiner Fliessgeschwindigkeiten entlang einer vergleichsweise
kurzen Ultraschallmessstrecke entsprechend kleine Zeitdifferenzen
zwischen den Empfangssignalen auf. Diese Empfangssignale können sich
dabei überlagern
und eine neue Form bilden, so dass eine elektronische Auswertung
derselben grosse Anstrengungen nötig macht.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchflussmessung eines strömenden
Mediums dahingehend weiter zu entwickeln, dass mittels einer Ultraschallwandleranordnung
eine gegenüber
dem Stand der Technik genauere Messung der Fliessgeschwindigkeit
eines Mediums erfolgen kann. Darüber
hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Durchflussmessung
eines strömenden
Mediums dahingehend weiter zu entwickeln, dass eine gegenüber dem
Stand der Technik genauere Messung der Fliessgeschwindigkeit eines
Mediums durchgeführt
werden kann.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist für die Vorrichtung
im Anspruch 1 angegeben. Diesen Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.
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Besonders
herauszuheben ist bei der erfindungsgemässen Vorrichtung, dass die
Ultraschallmessstrecke im wesentlichen senkrecht zu der eigentlichen
Strömungsrichtung
des Mediums im Einlassrohr bzw. im Auslassrohr angeordnet ist. Somit ergibt
sich eine Ultraschallmessstrecke, die einseitig von einer Ultraschallwandleranordnung
begrenzt wird und die auf der anderen Seite von einem Umlenkspiegel
abgeschlossen wird. Das Ultraschallsignal wird von einer ersten
Abstrahlfläche
bzw. Empfangsfläche
der Ultraschallwandleranordnung entlang einer Wandseite einer Strömungstrennwand
zu dem Umlenkspiegel ausgesendet, von diesem umgelenkt und entlang
der anderen Wandseite dieser Strömungstrennwand
geführt.
Dort gelangt das Ultraschallsignal zu einer zweiten Abstrahlfläche bzw. Empfangsfläche der
Ultraschallwandleranordnung und wird von dieser empfangen.
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Lösungsgemäss gelangt
somit erstmalig lediglich eine Ultraschallwandleranordnung mit einer Ultraschallmessstrecke
zu Einsatz, wobei die Länge dieser
Ultraschallmessstrecke deutlich grösser ist als der Abstand zwischen
dem Einlassrohr und dem Auslassrohr. Die Kombination aus der einfachen
Ultraschallwandleranordnung mit der gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise
wesentlich längeren
erfindungsgemässen
Ultraschallmessstrecke vereinfacht einerseits die Vorrichtung und
macht sie darüber
hinaus spürbar
genauer, das heisst, die Laufzeitunterschiede zwischen dem mit der
Strömung wandernden
Ultraschallsignal und dem gegenläufigen
Ultraschallsignal sind auch bei kleinen Fliessgeschwindigkeiten
ausreichend gross, um eine verbesserte messtechnisch Auflösung zu
gewährleisten.
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Die
Ultraschallwandleranordnung umfasst mit Vorteil lediglich einen
Piezoschwinger, der eine einzige Masseelektrode aufweist und zwei
flächig
nebeneinander angeordnete und von einander getrennte Signalelektroden.
Jeder Signalelektrode ist eine Abstrahlfläche bzw. Empfangsfläche für Ultraschallsignale
zugeordnet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
sieht vor, dass zwei oder mehr Piezoschwinger in der einen Ultraschallwandleranordnung
integriert sind. Auch bei Verwendung mehrer Piezoschwinger sind
alle gemeinsam mit einer Masseelektrode verbunden, sodass der Vorteil
der einen Ultraschallwandleranordnung auch hier voll zur Geltung
kommt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen
der ersten Abstrahlfläche
bzw. Empfangsfläche
und der zweiten Abstrahlfläche
bzw. Empfangsfläche
die erfindungswesentliche Strömungstrennwand
senkrecht angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung
des Umlenkspiegels als kegelförmige
Bohrung, quasi in der Mitte der gesamten Ultraschallmessstrecke.
Hier wird das Ultraschallsignal einfallend von einer Wandseite der Strömungstrennwand
auf die andere Wandseite derselben umgelenkt. Wenn die kegelförmige Bohrung einen
Bohrungswinkel von 90° aufweist
erfolgt mit ihr eine Signalumlenkung von 180°.
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Des
Weiteren ist die Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe für das Verfahren zur Durchflussmessung
im Anspruch 8 angegeben. Diesen Erfindungsgedanken weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand des Unteranspruchs 9.
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Da
die Vorteile hinsichtlich des Verfahrens unmittelbar mit denen der
Vorrichtung zur Durchflussmessung einhergehen und diese bereits
oben ihre Würdigung
erfuhren, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Alle
Vorteile und Details der Erfindung hinsichtlich der Vorrichtung
zur Durchflussmessung und des Verfahrens werden nachfolgend anhand
des Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchflussmessung
in einer Längsschnittdarstellung
und einer Querschnittdarstellung;
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1b einen Querschnitt durch eine Ultraschallmessstrecke
nach 1a;
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2a eine detailliere Schnittdarstellung
einer Ultraschallwandleranordnung als Teil der Vorrichtung zur Durchflussmessung;
und
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2b eine Draufsicht auf eine Ultraschallwandleranordnung
nach 2a.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Mit 1 ist
in 1a eine Ultraschallmessstrecke
bezeichnet, die senkrecht zu einer Strömungsrichtung 3 eines
Mediums an einem Gehäuse 4 angeordnet
ist. Auf diese Weise ist zwischen einem Einlassrohr 18 und
einem Auslassrohr 19 – die
aufgrund der hier nicht gezeigten Einbaubedingungen vergleichsweise
nahe beieinander liegen – eine
längere Ultraschallmessstrecke 1 möglich als
der Abstand zwischen diesem Einlassrohr 18 und diesem Auslassrohr 19 erlauben
würde.
An einer Seite ist die Ultraschallmessstrecke 1 mit einer
Ultraschallwandleranordnung 5 begrenzt und an der andere
Seite mit einem Umlenkspiegel 7.
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Die
Ultraschallmessstrecke 1 ist mittels einer Strömungstrennwand 2 in
zwei Strömungspfade
aufgeteilt. Die Strömungstrennwand 2 teilt
dabei nicht nur die Ultraschallmessstrecke 1 sondern darüber hinaus
die Ultraschallwandleranordnung 5 in eine erste und eine
zweite Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16 (16a,
b in 2a). Zum Umlenkspiegel 7 hin
ist die Strömungstrennwand 2 unterbrochen,
sodass ihr freies Ende von dem Medium – an dem Umlenkspiegel 7 vorbei – umströmt werden
kann. Der Umlenkspiegel 7 ist auf einfache Weise mittels
einem Bohrungsgrund gebildet und weist einen Bohrungswinkel α auf. Dieser
Bohrungswinkel α ist
im günstigsten
Fall 90° gross,
und damit besonders einfach mittels einem entsprechenden Bohrer
herstellbar. Ein Ultraschallsignal 6, das durch die Messstrecke 1 entlang der
Strömungstrennwand 2 auf
den Umlenkspiegel 7 auftrifft, wird durch diesen zweimal
umgelenkt und auf einer Rückseite
der Strömungstrennwand 2 zu der
Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16 zurückgeführt.
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Die
Ultraschallwandleranordnung 5 ist mit einer Signalleitung 15 verbunden,
wobei ein erster und ein zweiter Signalelektrodenanschluss 5a, 5b und
ein Massenelektrodenanschluss 5c mit der Ultraschallwandleranordnung 5 elektrisch
verbunden sind.
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In 1a ist ein Schnitt mit A-A' angedeutet, dessen
Darstellung in 1b gezeigt ist. Hier
wird verdeutlicht, wie die Strömungstrennwand 2 die
Ultraschallmessstrecke 1 in zwei Strömungskanäle teilt. Die Schnittdarstellung
ist so gelegt, dass der Blick auf den Umlenkspiegel 7 gerichtet
ist.
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2a zeigt in vergrösserter Darstellung die Ultraschallwandleranordnung 5 in
einem Schallkopfgehäuse 13.
Das Schallkopfgehäuse 13 ist
elektrische leitend ausgebildet und mit dem Masseelektrodenanschluss 5c der
Signalleitung verbunden. Im Schallkopfgehäuse 13, dessen Gehäuseboden
als Membranboden 17 ausgebildet ist, liegt ein Piezoschwinger 11.
Dieser Piezoschwinger 11 wird mittels einem Dämpfungsgummi 14,
einer Druckplatte 10 und einem Sicherungsring 9 lösbar im
Schallkopfgehäuse 13 gehalten.
Der Dämpfungsgummi 14 weist
Bohrungen auf, durch die mindestens zwei Rohrnieten 8 geführt angeordnet
sind. Diese Rohrnieten 8 sind zum einen elektrisch mit
dem ersten und dem zweiten Signalelektrodenanschluss 5a,
b verbunden und zum anderen kontaktieren sie den Piezoschwinger 11 an
einer ersten und einer zweiten metallisierten Signalelektrode 12a,
b (2b)
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Der
Piezoschwinger 11 weist somit auf seiner einen Seite eine
gemeinsame Masseelektrode 20 auf und auf seiner anderen
Seite zwei elektrisch voneinander unabhängig ansteuerbare Signalelektroden 12a,
b, wie 2b erhellt. Hierdurch wird
die Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16 des
Piezoschwingers 11 für
Ultraschallwellen in zwei Teilflächen
geteilt, die jeweils für
sich eine Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16a, 16b darstellen.
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Wird
nun ein Ultraschallsignal 6 (1a)
von der ersten Abstrahl- bzw.
Empfangsfläche 16a mit der
Fliessrichtung 3 eines Mediums ausgesandt, so breitet sich
diese Signal entlang der Strömungstrennwand 2 bis
zum Umlenkspiegel 7 aus. Dort wird das Ultraschallsignal 6 zweimal
umgelenkt und auf einer Rückseite
der Strömungstrennwand 2 der
zweiten Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16b der Ultraschallwandleranordnung 5 zugeführt. Die
Umlenkung des Ultraschallsignals 6 erfolgt achsensymmetrisch
zu einer nicht dargestellten zentralen Bohrungsachse des Umlenkspiegels 7,
so dass das Ultraschallsignal 6 integral über eine
beliebige gedachte Querschnittfläche
jederzeit in der Ultraschallmessstrecke die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit
aufweist.
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Von
der zweiten Abstrahl- bzw. Empfangsfläche 16b wird ebenfalls
ein (hier nicht dargestelltes) Ultraschallsignal ausgesendet, das
entgegen der Fliessrichtung 3 des Mediums durch das Messrohr 1 wandert
und von der ersten Abstrahl- bzw. Empfangsfläche erfasst wird. Aus der Laufzeitdifferenz beider
empfangener Ultraschallsignale mit und gegen die Fliessrichtung 3 des
Mediums ergibt sich auf konventionellem Weg die Fliessgeschwindigkeit
des Mediums. Mit der Temperaturdifferenz -ermittelt von je einem
Temperatursensor im Vorlauf und im Rücklauf einer Rohrleitung- kann
nachfolgend die Bestimmung der bezogenen Wärmemenge erfolgen. Einer dieser
Temperatursensoren 21 ist im Auslassrohr 19 des
Gehäuses 4 eingebaut.
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Durch
die 90° Drehung
der Ultraschallmessstrecke 1 gegenüber dem Einlassrohr 18 bzw.
Auslassrohr 19 des Mediums fällt die Länge der Ultraschallmessstrecke 1 wesentlich
grösser
aus als das Einlassrohr 18 vom Auslassrohr 19 beabstandet
ist. Diese längere
Ultraschallmessstrecke 1 erlaubt es, selbst kleinste Fliessgeschwindigkeiten
des Mediums mittels Ultraschalllaufzeitmessung exakt aufzulösen.
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Darüber hinaus
bedarf es mit der erfindungsgemässen
Ausführung
der Gesamtanordnung lediglich eines Schallkopfgehäuses 13 mit
einer Ultraschallwandleranordnung 5. Dabei ist sowohl eine
Anordnung mit einem Piezoschwinger 11 mit geteilten Abstrahl-
bzw. Empfangsflächen 16a,
b im Sinne der Erfindung, als auch eine Anordnung, bei der die Ultraschallwandleranordnung 5 zwei
Piezoschwinger 11a, b (2a)
umfasst. Selbst mehr als zwei Piezoschwinger sind denkbar im Sinne
der Erfindung.
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Ohne
den erfinderischen Grundgedanken zu verlassen, wäre ebenfalls denkbar die Strömungstrennwand 2 keilförmig auszugestalten,
das heisst, dass die Strömungstrennwand 2 an
ihrer dem Umlenkspiegel 7 zugewandten Seite konisch spitz
zuläuft,
wohingegen die der Ultraschallwandleranordnung 5 zugewandten
Seite der Strömungstrennwand 2 dicker
sein würde.
Im Extremfall könnte
diese Strömungstrennwand 2 auch
als V-förmig
gebogenes Blech ausgebildete sein. Diese Ausführungsvariante würde es neben
dem verlängerten
Messweg ermöglichen,
dass die beiden Signalelektrodenflächen 12a, b ein wenig
voneinander beabstandet werden könnten,
um eine gegenseitige Beeinflussung auszuschliessen. Wichtig dabei
ist, dass der Bohrungswinkel α dann
entsprechend flacher sein müsste
als 90° und die
Abstrahl- bzw. Empfangsflächen 16a,
b eine Schrägabstrahlung
bzw. Schräganstrahlung
unterstützen
müssen.
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- 1
- Ultraschallmessstrecke
- 2
- Strömungstrennwand
- 3
- Strömungsrichtung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Ultraschallwandleranordnung
mit Mehrfachabstrahlung
- 5a
- Signalelektrodeanschluss
- 5b
- Signalelektrodeanschluss
- 5c
- Masseelektrodenanschluss
- 6
- Ultraschallsignal
- 7
- Umlenkspiegel
für Ultraschallsignal
- 8
- Rohrniet
- 9
- Sicherungsring
- 10
- Druckscheibe
- 11,
11a, b
- Piezoschwinger
- 12a
- Signalelektrode,
metallisiert
- 12b
- Signalelektrode,
metallisiert
- 13
- Schallkopfgehäuse
- 14
- Dämpfungsgummi
- 15
- Signalleitung
- 16,
16a, b
- Abstrahlfläche bzw.
Empfangsfläche für Ultraschallsignale
- 17
- Membranboden
- 18
- Einlassrohr
- 19
- Auslassrohr
- 20
- Masseelektrode
- α
- Bohrungswinkel