DE102008002166A1

DE102008002166A1 - Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr

Info

Publication number: DE102008002166A1
Application number: DE102008002166A
Authority: DE
Inventors: Pierre Ueberschlag
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: US20110132102A1; WO2009147128A1; RU2466359C2; EP2283326A1; RU2010154163A; US8468897B2

Abstract

Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, wobei der Ultraschallwandler mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement und Messmedium, welche Koppelschicht die Ultraschallsignale leitet und welcher Ultraschallwandler mit dem Messrohr akustisch koppelbar und der äußeren Gestalt des Messrohrs zumindest teilweise anpassbar ist und welches elektromechanische Wandlerelement flexibel ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, wobei der Ultraschallwandler mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement und Messmedium, welche Koppelschicht die Ultraschallsignale leitet.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.
Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.
Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen ermittelt.
Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Nachteilig ist ein hoher Aufwand bei der Montage der Clamp-On-Systeme, um die einzelnen Ultraschallwandler gegenseitig auszurichten, was von vielen Parametern, wie z. B. Rohrwanddicke, Rohrdurchmesser, Schallgeschwindigkeit im Messmedium, abhängt. Sowohl Ultraschallwandler mediumsberührender Inline-Systeme als auch Ultraschallwandler von Clamp-On-Systemen benötigen herkömmlicherweise einen relativ üppigen Bauraum außerhalb des Messrohrs.
Sie sind mechanischen Einflüssen ausgesetzt. Die Ultraschallsignale zwischen den Ultraschallwandlern breiten sich üblicherweise auf einem Signalpfad aus. Der Signalpfad verläuft jeweils nur durch einen Bruchteil der Strömung des Messmediums im Messrohr, wodurch die Schätzung des gesamten Durchflusses durch das Messrohr stark beeinflusst ist.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem piezoelektrischen Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
In der DE-PS 100 12 926 ist eine Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung offenbart, welche auf einem Messrohr fest angebracht ist. Diese Sensoreinrichtung ist ein Piezofoliensensor, welcher Vibrations- und/ oder Schwingungsgrößen des Messrohrs bzw. der Wandung des Messrohrs, auf welcher der Piezofoliensensor angebracht ist, erfasst, und diese Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen des Messrohrs, welche aufgrund von Wechselwirkungen eines strömenden Mediums im Messrohr mit der Wandung des Messrohrs erzeugt werden, in Spannungssignale wandelt. Mittels dieser Spannungssignale wird anschließend der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr ermittelt.
Die Piezosensorfolie wird an der Außenseite der Wandung des Messrohrs angebracht, wobei an der Innenseite der Wandung ein Messmedium vorbeiströmt. Darüber kann zum Schutz der Piezosensorfolie noch eine Abschirmung angebracht sein. Die Piezosensorfolie besteht bevorzugt aus Polyvinylidenflourid (PVDF). Von der Piezosensorfolie wird kein Schwingungs- oder Vibrationssignal abgestrahlt. Die Piezosensorfolie empfängt lediglich Schwingungen oder Vibrationen, welche durch die Strömung, die sich im Innenraum des Messrohrs befindet, verursacht werden. Da nun die Wechselwirkungen zwischen Innenseite der Wandung des Messrohrs und Messmedium von vielen verschiedenen Parametern, wie z. B. Zusammensetzung des Messmediums und der damit verbundenen Reynolds-Zahl des Messmediums, abhängen und sich einige dieser Parameter mit der Zeit, z. B. durch Veränderung der Oberfläche des Messrohrs, z. B. durch abrasiven Verschleiß, verändern, ist die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung sehr beschränkt.
Die US-PS 3,906,791 zeigt ein Ultraschall-Durchfluss-Messgerät mit einem Messrohr mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. In einer Ausführungsform sind Ultraschallwandler auf der flachen Außenseite der Messrohrwand angebracht. Sie senden ein Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr ab. Das Ultraschallsignal wird in Richtung der Strömung des Messmediums oder ihr entgegengesetzt durch im Querschnitt dreieckförmige Aussparungen auf der Innenseite der Messrohrwand abgelenkt.
In der DE-A 102 04 714 ist ein Ultraschallwandler beschrieben, der in der Gestalt eines Kreisbogens oder eines Rings ausgebildet ist und somit an kreisförmigen Rohren einer bestimmten Größe ankoppelbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Durchfluss-Messsystem bereit zu stellen, dessen Sensoren an einer Rohrleitung anbringbar sind und keiner aufwendigen gegenseitigen Ausrichtung bedürfen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt, wobei der Ultraschallwandler mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement und Messmedium, welche Koppelschicht die Ultraschallsignale leitet, wobei der Ultraschallwandler mit dem Messrohr akustisch koppelbar und der äußeren Gestalt des Messrohrs zumindest teilweise anpassbar ist und dass das elektromechanische Wandlerelement flexibel ist. Neben dem Wegfall der gegenseitigen Ausrichtung der Clamp-On-Sensoren ist ein weiterer Vorteil eine sehr flache Bauweise des Ultraschallwandlers.
Das elektromechanische Wandlerelement wandelt die Ultraschallsignale nach dem Prinzip der Elektrostriktion oder der Magnetostriktion. Unter der Magnetostriktion wird die Längenänderung eines ferromagnetischen Stoffs infolge eines angelegten Magnetfelds verstanden. Die Elektrostriktion hingegen beschreibt die Deformation eines Dielektrikums infolge eines angelegten elektrischen Felds. Die Deformation ist dabei im Allgemeinen nicht abhängig von der Richtung des Felds. Der Piezoeffekt ist somit im Speziellen Teil der Elektrostriktion. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das elektromechanische Wandlerelement ein piezoelektrisches Element.
Das elektromechanische Wandlerelement erzeugt Ultraschallsignale und/oder wandelt empfangene Ultraschallsignale wiederum in elektrische Signale um. Die Koppelschicht leitet die Ultraschallsignale. Die Koppelschicht besteht dabei bevorzugt aus einem Material, welches bestimmte akustische Eigenschaften, wie z. B. eine vorgebbare akustische Impedanz und/oder eine vorgebbare Schallgeschwindigkeit, aufweist. In einer besonderen Ausführungsform dient das Rohr selbst als Koppelschicht. Wird z. B. ein Stahlrohr als Messrohr verwendet und das elektromechanische Wandlerelement ist ein piezoelektrisches Element, so ist eine Koppelschicht als Anpassungsschicht zwischen Wandlerelement und Messrohr vorsehbar. Ist jedoch das Messrohr aus Kunststoff und/oder das Wandlerelement ein elektrostriktives Element, so ist das elektromechanische Wandlerelement direkt auf dem Messrohr anbringbar. Das Messrohr übernimmt in diesem Fall die Aufgabe der Koppelschicht, die akustische Kopplung zwischen Wandlerelement und Messmedium.
Ultraschallwandler erzeugen Ultraschallsignale in Form von Ultraschallwellen. In Flüssigkeiten breiten sich Ultraschallwellen nur als Longitudinalwellen aus. Die angeregten Teilchen schwingen hierbei in Ausbreitungsrichtung um den Betrag der Amplitude. Ein Ultraschallsignal besteht somit aus mindestens einer Ultraschallwelle mit einer Wellenfront. Die Wellenfront steht dabei senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen.
Ein Ultraschallsignal ist in seiner Breite begrenzt. D. h. die Wellenfront hat eine endliche Ausdehnung. Das wesentliche Element zur Begrenzung der Breite eines Ultraschallsignals, ist die Fläche des Ultraschallwandlers, vom welchen die Ultraschallwelle ausgesendet wird. Der Einfachheit halber wird davon ausgegangen, dass sich ein Ultraschallsignal einer begrenzten Breite auf einem scharfen Schall- oder Signalpfad ausbreitet. Die Breite des Signalpfads ist dabei als punktförmig zu betrachten. Modellhaft breitet sich ein Ultraschallsignal also auf einem geradenförmigen Signalpfad aus. Die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen entspricht somit der Richtung des Ultraschallsignals auf dem Signalpfad.
Somit weist ein Ultraschallwandler erfindungsgemäß mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, auf, welches Ultraschallsignale auf zumindest einem ersten Signalpfad aussendet und/oder empfängt und eine Koppelschicht im Bereich zwischen elektromechanischen Wandlerelement und Messmedium leitet die Ultraschallsignale auf dem ersten Signalpfad. Statt einem elektromechanischen Element können auch mehrere Elemente Verwendung finden. Diese sind z. B. nebeneinander und/oder übereinander in so genannten Stacks anzuordnen. Bei den Stacks sind die einzelnen Elemente in Serie (Reihe) oder in Sandwichbauweise kontaktiert und geschaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das elektromechanische Wandlerelement eine Folie.
Eine Folie ist ein dünnes Blatt, welches in Endlosbahnen herstellbar ist und sich aufrollen lässt. Die Dicke einer Folie hängt somit von verschiedenen Materialparametern ab.
Als besonders vorteilhaft gelten Folien aus dem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid, kurz PVDF. PVDF-Folien sind meist weniger als 1 mm dick.
Besitzt die Rohrleitung, auf welcher der Ultraschallwandler ankoppelbar ist und dessen Gestalt der Ultraschallwandler anpassbar ist, einen näherungsweise kreisrunden oder ovalen Querschnitt, so nimmt das elektromechanische Wandlerelement die Form einer einfach oder doppelt gekrümmten Schale an. Ultraschallsignale sind über näherungsweise die gesamte Fläche des elektromechanische Wandlerelements abstrahlbar und/oder empfangbar. Zwei Schalen sind parallel, wenn ihre Tagenten und Ihre Mantelgeraden zueinander parallel sind.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass das elektromechanische Wandlerelement auf einer ersten Oberfläche der Koppelschicht applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der Koppelschicht in die erste Oberfläche der Koppelschicht eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche der Koppelschicht austritt und die Koppelschicht das Ultraschallsignal zumindest anteilig so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente des Ultraschallsignals in oder entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr zeigt und/oder dass eine zweite Richtungskomponente des Ultraschallsignals senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr steht.
Die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der ersten Koppelschicht bei Signaleintritt und/oder beim Signalaustritt aus der ersten Oberfläche der ersten Koppelschicht. An einer Grenzfläche zwischen erster Koppelschicht und Messmedium bzw. zwischen erster Koppelschicht und einer zweiten Koppelschicht wird das Ultraschallsignal gebrochen.
Wird das Ultraschallsignal senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr gebrochen bzw. abgelenkt, also mit einer Richtungskomponente in radialer Richtung versehen, ist eine Durchflussmessung mit dem Laufzeitdifferenzverfahren z. B. mit vorheriger Strömungskonditionierung möglich.
Mit einem Ultraschallwandler ohne eine Koppelschicht, an deren Grenzfläche das Ultraschallsignal in eine bestimmte Richtung abgelenkt wird, können Parameter des Messmediums, wie z. B. die Schallgeschwindigkeit im Messmedium, bestimmt werden. Das Ultraschallsignal läuft also auf geraden Weg senkrecht zum elektromechanischen Wandler durch das Messrohr.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass das elektromechanische Wandlerelement auf einer ersten Oberfläche der Koppelschicht applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche der Koppelschicht in die erste Oberfläche der Koppelschicht eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche der Koppelschicht austritt und die Koppelschicht das Ultraschallsignal auf zwei Signalpfade so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente des Ultraschallsignals auf einem ersten Signalpfad in und eine dritte Richtungskomponente des Ultraschallsignals auf einem zweiten Signalpfad entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums im Messrohr zeigt. Das Ultraschallsignal wird also in zwei Richtungen abgelenkt und breitet sich folglich nunmehr auf zwei getrennten Signalpfaden aus. Dies ist mit einem einzigen elektromechanischen Wandlerelement realisierbar.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Koppelschicht mindestens eine Aussparung aufweist, welche Aussparung einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Bevorzugt bildet die Aussparung eine Rille. Die Rille mit dem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt hat eine Ausdehnung senkrecht zu dem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt. Der Querschnitt wird in Längsrichtung fortgesetzt.
Besonders vorteilhaft verläuft die Rille in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse, d. h. die Längsrichtung der Rille verläuft in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse. Bei einem näherungsweise kreisrunden oder ovalen Querschnitt des Messrohrs und entsprechender Form und Gestalt des Ultraschallwandlers ist nimmt die Rille einen kreisrunden oder ovalen Längsschnitt an. Der Winkel bezieht sich auf die Tangente an den Ultraschallwandler.
Bei einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Aussparungen näherungsweise gleichmäßig über die Fläche der Koppelschicht angeordnet. Der Abstand der Aussparungen zueinander ist im Wesentlichen gleich bleibend. In einer Weiterbildung besitzen die Aussparungen näherungsweise gleiche Querschnitte.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Aussparungen auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Koppelschicht eingebracht sind.
Eine ergänzende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Aussparungen integraler Bestandteil des Messrohrs sind. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass das Messrohr ein Gewinde in seiner Innenwandung und/oder Außenwandung aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Aussparungen dreieckförmig sind, wobei eine Seite der dreieckförmigen Aussparung im Wesentlichen parallel zu zumindest einer Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals ist. In einer Ausführungsform steht eine Seite der dreieckförmigen Aussparung im Wesentlichen senkrecht auf zumindest einer Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals. Das Ultraschallsignal breitet sich dabei modellhaft entlang eines näherungsweise scharfen Signalpfads aus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildet der erfindungsgemäßen Lösung bestimmt und/oder überwacht das Messsystem den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr mit dem Laufzeitdifferenzverfahren oder dem Dopplerverfahren.
In einer besonders vorteilhaften Ausprägung der Erfindung weist das Messsystem zumindest zwei Ultraschallwandler auf, welche so am Messrohr angeordnet sind, dass das Ultraschallsignal auf dem ersten Signalpfad zwischen beiden Ultraschallwandlern verläuft.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt im Längsschnitt ein Messrohr mit erfindungsgemäßen trapezförmigen Aussparungen auf der Innenseite,
2 zeigt im Längsschnitt ein Messrohr mit erfindungsgemäßen trapezförmigen Aussparungen auf der Außenseite,
3 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei Koppelschichten auf einem Messrohr,
4 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei Koppelschichten auf einem Messrohr,
5 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei Koppelschichten auf einem Messrohr,
6 zeigt im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei Koppelschichten auf einem Messrohr,
7 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Koppelschicht eines Ultraschallwandlers,
8 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Koppelschicht eines Ultraschallwandlers,
9 zeigt im Längs- und Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einem Ultraschallwandler,
10 zeigt im Längs- und Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einem Ultraschallwandler,
11 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zwei Ultraschallwandlern,
12 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit drei Ultraschallwandlern,
13 zeigt im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zwei oder drei Ultraschallwandlern,
14 zeigt im Querschnitt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
15 zeigt ein Ultraschallwandlerarray auf einem erfindungsgemäßen Koppelelement aus zwei Koppelschichten,
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem im Längsschnitt. Das Messrohr 3 weist im Wesentlichen im Querschnitt dreieckförmige Aussparungen 21 in der Messrohrinnenwand 23 auf, welche Aussparungen 21 eine Rille in der Messrohrinnenwand 23 bilden. Die Dreieckform der Querschnitte der Aussparungen 21 ist eine extreme Ausprägung eines Trapezes. Ein Trapez wird durch vier Seiten bestimmt, welche vier Winkel einschließen. Wir einer dieser Winkel Null und damit eine Seitenlänge Null, entsteht ein Dreieck. Andere Extremformen sind z. B. ein Rechteck oder eine Strecke. Wird anstatt der Dreieckform ein Trapez mit zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen, welche näherungsweise parallel zu einer Tangentialebene an der Messrohrwand sind, verwendet, so sind Mediumsparameter wie z. B. die Schallgeschwindigkeit, gleichzeitig mit dem Durchfluss zu bestimmen. Durch die Rohrkrümmung kann das Trapez leicht gekrümmte Seiten aufweisen, wobei jedoch der Querschnitt der Aussparungen 21 näherungsweise als Trapez zu erkennen ist.
Die Aussparungen 21 können mit einem Material gefüllt sein oder sind, wie hier, vom Messmedium 4 gefüllt. Der elektromechanische Wandler, bevorzugt eine piezoelektrische Folie 5, hier der Einfachheit halber nicht dargestellt, ist auf dem Teil der Messrohraußenwand 22 angebracht, welcher den Aussparungen 21 gegenüber liegt, d. h. der Bereich des Messrohrs 3, welcher die Aussparungen 21 aufweist, weist ebenfalls die piezoelektrische Folie 5 auf, nur auf der anderen Seite der Messrohrwand. Ultraschallsignale, welche von der piezoelektrischen Folie 5 näherungsweise senkrecht zur Außenwand 22 des Messrohrs 3, also senkrecht zu einer gedachten Tangentialebene, eingestrahlt werden, treffen auf die Aussparungen 21 und werden entsprechend dem Winkel, unter welchem sie auf die Grenzfläche zwischen Messrohr 3 und Messmedium 4 treffen, und entsprechend den unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten der beiden aneinander grenzenden Materialen, also hier den Schallgeschwindigkeiten im Messrohr 3 und im Messmedium 4, abgelenkt. Dies gilt natürlich ebenfalls für Ultraschallsignale, welche aus Richtung des Messmediums 4 auf die piezoelektrische Folie 5 treffen. Das Messrohr 3 übernimmt hier gleichzeitig die Funktion einer ersten und in diesem Fall einzigen Koppelschicht 7. Somit bildet die Messrohraußenwand die erste Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 und die Grenzfläche zwischen Messrohr 3 und Messmedium 4 ist die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7.
Der einbeschriebene Ultraschallsignalpfad 6 stellt den Ultraschallsignalverlauf dar. Er steht senkrecht zur Wellenfront eines Ultraschallsignals. Auf dem Signalpfad 6 verläuft ein Ultraschallsignal in beide Richtungen, wenn die Brechungen an der dem Eintrittspunkt des Signals gegenüberliegende Seite des umlaufenden Ultraschallwandlers 4 die gleichen Winkel aufweisen. Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass die umlaufenden Aussparungen 21 näherungsweise konstante Form und Gestalt aufweisen und sie entsprechend zueinander ausgestaltet sind. Der Hin- und Rückweg des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad 6 wird durch die beiden Pfeile markiert.
Die erste Richtungskomponente 25 des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad 6 zeigt in die Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3. Die dritte Richtungskomponente 27 des Ultraschallsignals auf dem zweiten Signalpfad 20 hingegen weist entgegen. Eine zweite Richtungskomponente 26 des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad 6 quer zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3 würde in die Zeichenebene hinein oder aus der Zeichenebene heraus zeigen.
Der Deutlichkeit der nachfolgenden Zeichnungen geschuldet, wird auf eine separate Angabe von Richtungskomponenten verzichtet. Diese gehen aus den Zeichnungen jeweils klar hervor. Ist nur eine Richtung ersichtlich, so sind die weiteren erfindungsgemäßen Richtungen eines Ultraschallsignals deshalb nicht ausgeschlossen.
In 2 fungiert das Messrohr 3 als zweite Koppelschicht 8. Das Messrohr 3 weist trapezförmige Aussparungen 21 in seiner Außenwandung 22 auf, welche z. B. mit einer Kunststoffmasse gefüllt sind. Die ausgefüllten Aussparungen 21 bilden die erste Koppelschicht 7. Auf der ersten Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 ist die piezoelektrische Folie 5 appliziert, welche auch hier wiederum nicht dargestellt ist. An der Grenzfläche zwischen erster Koppelschicht 7 und zweiter Koppelschicht 8, also an der Berührungsfläche zwischen der zweiten Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 und der ersten Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8, wird ein Ultraschallsignal entsprechend der bekannten Begebenheiten abgelenkt bzw. gebrochen. Eine zweite Brechung findet an der zweiten Oberfläche 13 der zweiten Koppelschicht 8, der Rohrinnenwand 23, statt.
Wie in 2, so sind, aus Gründen der Übersichtlichkeit, auch in den nachfolgenden 3 bis 6 nur die Ultraschallsignale vom piezoelektrischen Element weg, also die in die erste Koppelschicht 7 eingestrahlten Ultraschallsignale dargestellt. Die Ultraschallsignale können dabei entweder an der Innenwand 23 des Messrohrs 3, auf welche das Ultraschallsignal trifft, näherungsweise total reflektiert und zurück zum Ultraschallwandler 2 gelenkt werden, oder sie werden, wie in 2 angedeutet, analog zum Signaleintritt gebrochen, falls ein Ultraschallwandler 2 auf der der Einstrahlfläche gegenüberliegenden Seite des Messrohrs 3 angebracht ist.
Die Neigungswinkel der Oberflächen der Koppelschichten zum auftreffenden Ultraschallsignal sind nicht zwingend gleich dem Brechungswinkel des Ultraschallsignals. Dieser hängt von den Schallgeschwindigkeiten, u. a. des Messmediums ab. Dies ist ein großer Vorteil der Erfindung: übliche Clamp-On-Systeme müssen zueinander ausgerichtet werden, z. B. bei einer Änderung des Messmediums. Dieses System muss nicht neu ausgerichtet werden.
In 3 ist ein Messrohr 3 mit einem, auf dessen Außenseite 22 angebrachten, Ultraschallwandler 2 dargestellt. Der Ultraschallwandler 2 besteht aus einer piezoelektrischen Folie 5 und zwei Koppelschichten 7, 8, wobei die piezoelektrische Folie 5 auf der ersten Koppelschicht 7 angebracht ist und die zweite Koppelschicht 8 auf dem Messrohr 3 angebracht ist. Die piezoelektrische Folie 5 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Ultraschallsignale treten im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 in die erste Koppelschicht 7 ein und aus der ersten Koppelschicht 7 aus. Hier ist wiederum nur der Eintritt also der Signalverlauf von der piezoelektrischen Folie 5 weg dargestellt. Die Brechung an der Grenzschicht zwischen erster Koppelschicht 7 und zweiter Koppelschicht 8 wird dadurch beeinflusst, dass die Schallgeschwindigkeit in der ersten Koppelschicht 7 höher ist als in der zweiten Koppelschicht 8.
In diesem Beispiel nimmt die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 im Wesentlichen die Form eines Faltenbalgs an. Da die zweite Oberfläche 11 der ersten Koppelschicht 7 trapezförmige Aussparungen 21 aufweist, weist die erste Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8 eine kongruente Erhöhung auf. Alleine betrachtet ist jedoch die erste Oberfläche 12 der zweiten Koppelschicht 8 ebenfalls mit trapezförmigen Aussparungen 21 versehen. Die beiden Oberflächen 10, 11 sind als positiv und negativ zueinander zu betrachten.
In 4 sind die Schallgeschwindigkeiten in den Koppelschichten 7 und 8 gerade umgekehrt.
5 zeigt einen Ultraschallwandler mit sägezahnförmigen Aussparungen 21. Die Aussparungen 21 in der ersten Koppelschicht 7 werden von der zweiten Koppelschicht 8 vollständig ausgefüllt. Dabei entstehen in jeder Aussparung 21 zwei Grenzflächen zwischen den Koppelschichten 7 und 8, im Querschnitt durch die sägezahnförmige Aussparung 21 sind das eine kürzere und eine längere. Der Vorteil der Ausgestaltung der trapezförmigen Aussparungen 21 in Sägezahnform besteht darin, dass die von der piezoelektrischen Folie 5 eingestrahlten Ultraschallsignale, welche parallel zueinander und in einer gemeinsamen gedachten Axialebene 19 verlaufen, an den Grenzflächen der Koppelschichten 7 und 8 unterschiedlich abgelenkt werden, da die Ultraschallsignale in unterschiedlichen Winkeln auf die kürzere und die längere Grenzfläche treffen. Dadurch kann, wie gezeigt, ein Teil des Ultraschallsignals in einem bestimmten Winkel in einer Richtung in das Messmedium 4 eingestrahlt werden, wobei ein anderer, insbesondere ein sehr kleiner, Teil des Ultraschallsignals an einer Grenzfläche, hier an der kürzeren, so abgelenkt wird, dass das Signal aus dem Ultraschallwandler 2 herausgeleitet wird, ohne dass es das Messmedium 4 durchläuft. Allerdings geht dabei ein Teil der Signalenergie verloren. Die Materialen der Koppelschichten 7 und 8 sind entsprechend ihrer akustischen Eigenschaften, wie. z. B. ihrer akustischen Impedanz oder ihrer Schallgeschwindigkeit, ausgewählt.
In dieser Darstellung ist der Ultraschallwandler 2 auf der Außenwand 22 des Messrohrs 3 angebracht. Er nimmt näherungsweise die Gestalt des Messrohrs 3 bzw. die Form der Außenwand 22 zumindest teilweise an, hier nimmt der Ultraschallwandler 2 die Form einer einfach gekrümmten Schale an.
6 offenbart die Teilquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 2. Der Ultraschallwandler 2 besteht aus einer nicht gezeigten piezoelektrischen Folie 5 und einem Koppelelement zwischen Messrohr 3 und Piezo 5 aus zwei Koppelschichten. Die trapezförmigen Aussparungen 21 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Rohrachse 16 in der dem Messmedium 4 zugewandten Seite der ersten Koppelschicht 7. Die zweite Koppelschicht 8 befindet sich zwischen Messrohr 3 und erster Koppelschicht 7 und füllt die Aussparungen 21 in der ersten Koppelschicht 7 komplett aus. Dadurch werden die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche 10 der ersten Koppelschicht 7 eintretenden und im Wesentlichen in einer gedachten Radialebene verlaufenden Ultraschallsignale in einem Winkel zu einer gedachten Axialebene, also senkrecht auf die Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3, entsprechend den bekannten Begebenheiten abgelenkt.
Der Ultraschallwandler 2 ist um den kompletten Messrohrumfang angebracht. Brechungen des Ultraschallsignals sind wiederum an der Innenwand 23 des Messrohrs 3 oder an den Flächen der Aussparungen 21 des Ultraschallwandlers 2 möglich.
In 7 ist perspektivisch eine Koppelschicht 7 dargestellt. Auf beiden Seiten der Koppelschicht, also sowohl auf ihrer ersten Oberfläche 10, als auch auf ihrer zweiten Oberfläche 11, sind dreieckförmige Aussparungen 21 angebracht. Die Aussparungen 21 bilden Rillen. Die Rillen auf der ersten Seite stehen lotrecht auf den Rillen der zweiten Seite.
8 zeigt dagegen eine Koppelschicht 7 mit nur in eine Oberfläche 10 eingebrachten Aussparungen 21. Wird diese Koppelschicht 7 um ein nicht gezeigtes Messrohr 3 gelegt, so besitzen die aus den Aussparungen 21 gebildeten Rillen einen Winkel zur Rohrachse 16 bzw. zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3 einen Winkel von ca. 45°. Zu realisieren sind solche Rillen durch einfaches Gewindeschneiden, z. B. in die Innenwand 23 des Messrohrs 3.
In 9 und 10 sind Längs- und Querschnitte erfindungsgemäßer Messsysteme gezeigt. Jeweils der volle Querschnitt des Messrohrs 3 wird von Ultraschallsignalen durchschallt. Der Ultraschallwandler bedeckt dabei in 10 nur die halbe Außenwand 24 des Messrohrs 3, wobei in 9 der volle Messrohrumfang bedeckt ist. Dies ist durch die unterschiedliche Brechung der Ultraschallsignale gegeben. In 9 wird das Ultraschallsignal nicht an der Messrohrinnenwand 23 oder an den Grenzflächen der Koppelschichten 7, 8 gebrochen und erreicht somit auf den elektromechanischen Wandler 5, der seinerseits das empfangene Signal wandelt. In 10 hingegen wird das Ultraschallsignal zum elektromechanischen Wandler 5 zurück reflektiert, der dann die Signale weiterverarbeitet. Dabei zeigen 9b und 10b die Querschnitte zu den in 9a und 10a gezeichneten Längsschnitten. Zu sehen ist der Grad der Abdeckung der Rohre 3 von den Ultraschallwandlern 2. In 10a ist der Signalverlauf bei Reflektion an der Messrohraußenwand angedeutet.
Die 11 und 12 zeigen ebenfalls Längsschnitte eines Messsystems 1. In 11 sind zwei Ultraschallwandler 2 auf einem Messrohr 3 angebracht. Beide Wandler 2 senden Ultraschallsignale in Richtung des jeweils anderen Wandlers. Der Eine sendet also stromaufwärts, der Andere stromabwärts. Empfangen wird das Signal des jeweils anderen Ultraschallwandlers 2. Dafür ist ein asymmetrisches Profil der Aussparungen 21 von Vorteil.
12 zeigt drei Ultraschallwandler 2 in einer Reihe. Der mittlere Ultraschallwandler 2 dient dabei als Sender, die beiden anderen sind einzig als Empfänger eingesetzt. Der Sender sendet sowohl in als auch entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 im Messrohr 3.
Der in 13 dargestellte Querschnitt kann sowohl von einem Messsystem mit einem Ultraschallwandler 2, als auch mit mehreren Ultraschallwandlern 2 in Reihe stammen. Der Bereich des Messmediums 4 im Messrohr 3, welches von Ultraschallsignalen durchschallt wird ist schraffiert dargestellt. Das Messsystem ist, wie hier schön zu sehen, im Gegensatz zum Stand der Technik sehr flach. Es ist somit vergleichsweise weniger häufig und wesentlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt.
In 14 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 2 abgebildet. Das elektromechanische Wandlerelement 5 ist auf einer ersten Koppelschicht 7 appliziert. Eine Zweite Koppelschicht 8 steht in Kontakt zur ersten Koppelschicht 7 und zur Außenwand 22 des Messrohrs 3. Ein Messmedium 4 befindet sind im Innern des Messrohrs 3. Auf der Detailzeichnung einer dreieckförmigen Aussparung 21 sind einzelne Signalpfade 6 zu sehen, auf denen sich Ultraschallsignale modellhaft ausbreiten. Die Signalpfade 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander und näherungsweise parallel zu einer Oberfläche bzw. zu einer Seite der im Querschnitt dreieckförmigen Aussparung 21. Dadurch wird erreicht, dass ein Verlust an Signalenergie durch Brechungen sehr gering ist. Über die gesamte Fläche 13 werden die Ultraschallsignale von der Koppelschicht 8 abgestrahlt. Sind die Signalpfade nicht parallel zu einer Seitenfläche der dreieckförmigen Aussparung 21, kommt es zu einer Signallücke und somit zum Verlust an Signalenergie.
15 zeigt ein Ultraschallwandlerarray aus zwei in einander greifenden Ultraschallwandlerelementen 5, 5'. Die Ultraschallwandlerelemente 5, 5' können dabei auch aus einer einzelnen Folie mit in bestimmten Abständen zueinander aufgebrachten, z. B. aufgesputterten, Elektroden bestehen. Bevorzugt sind sie, wie hier gezeigt, über einer dreieckförmigen Aussparung 21 angeordnet und sie decken jeweils eine ablenkende Seite des Dreiecks ab.

1: Durchfluss-Messsystem
2: Ultraschallwandler
3: Messrohr
4: Messmedium
5: Piezoelektrische Folie
6: Erster Ultraschall-Signalpfad
7: Erste Koppelschicht
8: Zweite Koppelschicht
9: Dritte Koppelschicht
10: Erste Oberfläche der ersten Koppelschicht
11: Zweite Oberfläche der ersten Koppelschicht
12: Erste Oberfläche der zweiten Koppelschicht
13: Zweite Oberfläche der zweiten Koppelschicht
14: Erste Oberfläche der dritten Koppelschicht
15: Zweite Oberfläche der dritten Koppelschicht
16: Rohrachse
17: Tangentialebene
18: Radialebene
19: Axialebene
20: Zweiter Ultraschall-Signalpfad
21: Trapezförmige Aussparung
22: Außenwand des Messrohrs
23: Innenwand des Messrohrs
24: Zweiter Ultraschall-Signalpfad
25: Erste Richtungskomponente des Ultraschallsignals
26: Zweite Richtungskomponente des Ultraschallsignals
27: Dritte Richtungskomponente des Ultraschallsignals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 686255 B1 [0008]
- US 4484478 A [0008]
- US 4598593 A [0008]
- US 5052230 A [0009]
- DE 10012926 [0014]
- US 3906791 [0016]
- DE 10204714 A [0017]

Claims

Messsystem (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (4) durch ein Messrohr (3) mit mindestens einem Ultraschallwandler (2) und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr (3) strömenden Messmediums (4) ermittelt, wobei der Ultraschallwandler (2) mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement (5) aufweist, welches Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt, und mit mindestens einer Koppelschicht (7) im Bereich zwischen elektromechanischem Wandlerelement (5) und Messmedium (4), welche Koppelschicht (7) die Ultraschallsignale leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) mit dem Messrohr (3) akustisch koppelbar und der äußeren Gestalt des Messrohrs (3) zumindest teilweise anpassbar ist und dass das elektromechanische Wandlerelement (5) flexibel ist.
Messsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (5) eine Folie ist.
Messsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (5) auf einer ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) in die erste Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) austritt und die Koppelschicht (7) das Ultraschallsignal zumindest anteilig so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente (25) des Ultraschallsignals in oder entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums (4) im Messrohr (3) zeigt und/oder dass eine zweite Richtungskomponente (26) des Ultraschallsignals senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums (4) im Messrohr (3) steht.
Messsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (5) auf einer ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) applizierbar ist und das Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) in die erste Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) eintritt und/oder aus der ersten Oberfläche (10) der Koppelschicht (7) austritt und die Koppelschicht (7) das Ultraschallsignal auf zwei Signalpfade so ablenkt, dass eine erste Richtungskomponente (25) des Ultraschallsignals auf einem ersten Signalpfad (6) in und eine dritte Richtungskomponente (27) des Ultraschallsignals auf einem zweiten Signalpfad (24) entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums (4) im Messrohr (3) zeigt.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschicht (7) mindestens eine Aussparung (21) aufweist, welche Aussparung (21) einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Messsystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (21) eine Rille bildet.
Messsystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille in einem Winkel von 0° bis 90° zur Rohrachse verläuft.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (21) näherungsweise gleichmäßig über die Fläche der Koppelschicht angeordnet sind.
Messsystem (1) einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21) auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Koppelschicht (7) eingebracht sind.
Messsystem (1) einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21) integraler Bestandteil des Messrohrs (3) sind.
Messsystem (1) Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (3) ein Gewinde in seiner Innenwandung (23) und/oder Außenwandung (22) aufweist.
Messsystem (1) einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (21) dreieckförmig sind, wobei eine Seite der dreieckförmigen Aussparung (21) im Wesentlichen parallel zu zumindest einer Ausbreitungsrichtung (6) des Ultraschallsignals ist.
Messsystem (1) einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (1) den Durchfluss des Messmediums (4) durch das Messrohr (3) mit dem Laufzeitdifferenzverfahren oder dem Dopplerverfahren bestimmt und/oder überwacht.