DE102009039633A1

DE102009039633A1 - Ultraschall-Durchflussmesser

Info

Publication number: DE102009039633A1
Application number: DE200910039633
Authority: DE
Inventors: Klaus Schick
Original assignee: TRUTTENBACH ASSET MANAGEMENT GbR (VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH; TRUTTENBACH ASSET MAN GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH; TRUTTENBACH ASSET MANAGEMENT GbR (VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH 77866 RHEINAU)
Current assignee: TRUTTENBACH ASSET MANAGEMENT GbR (VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH; TRUTTENBACH ASSET MAN GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH; TRUTTENBACH ASSET MANAGEMENT GbR (VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER ANDREAS TRUTTENBACH 77866 RHEINAU)
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Ein Ultraschall-Durchflussmesser umfasst eine Ultraschall-Einheit, die einen Ultraschall-Sender und/oder einen Ultraschall-Empfänger aufweist, der in einem Endbereich eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit seinem entgegengesetzten anderen Endbereich an einer Wandung angebracht ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Gehäuse mehrere hintereinander angeordnete Gehäuseteile aufweist, wobei aneinander angrenzende Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflussmesser mit einer Ultraschall-Einheit, die einen Ultraschall-Sender und/oder einen Ultraschall-Empfänger aufweist, der in einem Endbereich eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit seinem entgegengesetzten anderen Endbereich an einer Wandung angebracht ist.
Ein Ultraschall-Durchflussmesser dient zur Messung der Geschwindigkeit eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums, bei dem es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln kann, wobei zur Messung akustische Wellen verwendet werden. Ein Ultraschall-Durchflussmesser üblichen Aufbaus umfasst zumindest einen Ultraschall-Sender, der an einer Wandung der Rohrleitung angeordnet ist, und zumindest einen zugeordneten Ultraschall-Empfänger, der an der gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung so angeordnet ist, dass er einen vom Ultraschall-Sender abgegebenen Ultraschall-Impuls empfangen kann. Die zwischen der Abgabe des Ultraschall-Impulses am Ultraschall-Sender und dem Empfang des Ultraschall-Impulses am Ultraschall-Empfänger verstrichene Zeit wird gemessen und einer weiteren Auswertung zugeführt.
Der Ultraschall-Durchflussmesser besitzt somit üblicher Weise zwei Ultraschall-Einheiten, von denen eine den Ultraschall-Sender und die andere den Ultraschall-Empfänger trägt. Im Folgenden soll beispielhaft von der den Ultraschall-Sender tragenden Ultraschall-Einheit ausgegangen werden, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt und insbesondere auch auf eine gleichartig aufgebaute Ultraschall-Einheit anwendbar, die den Ultraschall-Empfänger trägt.
Der Ultraschall-Sender besitzt ein Piezo-Element, das mit einem elektrischen Signal angeregt wird, was zu einer longitudinalen Schwingung des Piezo-Elementes führt, wodurch Ultraschall erzeugt wird. Dieser Ultraschall-Impuls wird durch das in der Rohrleitung strömende Medium zu der gegenüberliegenden Ultraschall-Einheit mit dem Ultraschall-Empfänger übertragen und dort in ein elektrisches Empfangssignal (Echo) umgewandelt.
Die Schwingung des Piezo-Elementes erzeugt zusätzlich zu der in oben genannter Weise genutzten longitudinalen Schwingung, die sich senkrecht zur Schall emittierenden Fläche ausbreitet, auch eine senkrecht dazu verlaufende radiale Schwingung gleicher Frequenz, die sich als Körperschall über das Gehäuse der Ultraschall-Einheit ausbreitet und eine Stör-Schwingung darstellt. Die Stör-Schwingung gelangt von der den Ultraschall-Sender tragenden Ultraschall-Einheit über deren Gehäuse auf die Rohrleitung und gelangt durch diese zu der den Ultraschall-Empfänger tragenden gegenüberliegenden Ultraschall-Einheit. Diese Stör-Schwingung kann das Messergebnis verfälschen, da sie sich mit der zur Messung vorgesehenen axialen Schwingung überlagert. Dies führt zu Fehlern bei der Laufzeitbestimmung des Ultraschall-Impulses und somit zu Mess-Ungenauigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Durchflussmesser der genannten Art zu schaffen, bei dem der nachteilige Einfluss der Stör-Schwingung vermieden oder zumindest vermindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschall-Durchflussmesser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Gehäuse der Ultraschall-Einheit mehrere hintereinander angeordnete Gehäuseteile aufweist, wobei aneinander angrenzende Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz bestehen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch geeignete Anordnung und Auswahl unterschiedlicher Materialien der einzelnen Gehäuseteile die Ausbreitung der Stör-Schwingung zu verringern. Die Materialien besitzen stark unterschiedliche akustische Impedanzen, so dass der Schall an jeder Materialgrenzfläche reflektiert wird. Dadurch wird der Anteil der Stör-Schwingung, der über das Gehäuse und die Rohrwandung zu der gegenüberliegenden Ultraschall-Einheit übertragen wird in hohem Maße reduziert.
Erfindungsgemäß weist ein Material eine hohe akustische Impedanz auf, wenn die akustische Impedanz im Bereich von 7 MRayl bis 1000 MRayl und insbesondere im Bereich von 7 MRayl bis 100 MRayl liegt (1 Rayl = 10 Pa·s/m). Bei einem entsprechenden Material handelt es sich insbesondere um Stahl.
Erfindungsgemäß weist ein Material eine geringe akustische Impedanz auf, wenn die akustische Impedanz im Bereich von 0 MRayl bis 7 MRayl und insbesondere im Bereich von 1 MRayl bis 7 MRayl liegt (1 Rayl = 10 Pa·s/m). Bei einem entsprechenden Material handelt es sich beispielsweise um Kunststoff.
In einer 1. möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse aus drei hintereinander angeordneten Gehäuseteilen besteht, wobei die beiden endseitigen Gehäuseteile jeweils aus einem Material geringer akustischer Impedanz, beispielsweise Kunststoff, bestehen und durch ein zwischengeschaltetes 3. Gehäuseteil aus einem Material hoher akustischer Impedanz, insbesondere Stahl, voneinander vollständig getrennt sind. Der Ultraschall-Sender sitzt in einem endseitigen Gehäuseteil aus dem Material geringer akustischer Impedanz. Eine eventuelle Stör-Schwingung kann sich durch das Gehäuseteil ausbreiten und trifft dann auf das zwischengeschaltete Gehäuseteil aus dem Material hoher akustischer Impedanz, wobei die Störschwingung an der Übergangs- bzw. Grenzfläche weitestgehend reflektiert wird. Auf diese Weise ist verhindert, dass die Stör-Schwingung zu der Wandung der Rohrleitung gelangt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse nur aus zwei Gehäuseteilen besteht, wobei ein 1. Gehäuseteil, das an der Wandung angebracht ist, aus einem Material hoher akustischer Impedanz, insbesondere Stahl, besteht, während ein 2. Gehäuseteil, das den Ultraschall-Sender und/oder den Ultraschall-Empfänger trägt, aus einem Material geringer akustischer Impedanz, insbesondere Kunststoff besteht. Da der Ultraschall-Sender bzw. der Ultraschall-Empfänger, der an dem 2. Gehäuseteil aus Kunststoff angebracht ist, nur über das 1. Gehäuseteil aus insbesondere Stahl mit der Wandung in Verbindung steht, muss die Stör-Schwingung die Grenzfläche zwischen den beiden Gehäuseteilen passieren, um zur Wandung zu gelangen. Aufgrund der hohen unterschiedlichen akustischen Impedanz der an der Grenzfläche zusammentreffenden Materialien wird ein Großteil der Stör-Schwingung an der Grenzfläche reflektiert und gelangt somit nicht zur Rohrwandung.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Einheit kann auch aus mehr als drei Gehäuseteilen bestehen, wobei dann zumindest einige der aneinandergrenzenden Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz und insbesondere einerseits aus Stahl und andererseits aus Kunststoff bestehen.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse an seinem dem Ultraschall-Sender und/oder Ultraschall-Empfänger abgewandten Ende seitliche Flansche aufweist, mit denen es an der Wandung an liegt, wobei die Flansche auf ihrer der Wandung zugewandten Seite jeweils zumindest eine schallisolierende Einlage tragen, die vorzugsweise aus Kunststoff und insbesondere aus PEEK (Polyetheretherketon) besteht. Durch diese schallisolierenden Einlagen soll der verbleibende Anteil der Stör-Schwingung, der sich trotz der Reflexion an den Grenzflächen einander grenzender Gehäuseteile bis zu dem der Wandung zugewandten Ende des Gehäuses ausgebreitet hat, nochmals gedämpft werden, um den Übertritt auf die Wandung zu verhindern oder zu erschweren.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ultraschall-Einheit,
2 das Detail II in 1 und
3 einen Längsschnitt durch eine Ultraschall-Einheit gemäß einer abgewandelten Ausführungsform.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Ultraschall-Einheit 10 eines Ultraschall-Durchflussmessers, der zumindest zwei dieser Ultraschall-Einheiten 10 umfasst, von denen eine einen Ultraschall-Sender 11 und die andere einen Ultraschall-Empfänger 12 trägt. Die beiden Ultraschall-Einheiten 10 sind grundsätzlich gleich aufgebaut.
Die Ultraschall-Einheit 10 weist ein rohrförmiges Gehäuse 12 auf und ist durch eine Bohrung 16 einer Wandung 15, insbesondere einer Rohrwandung hindurchgesteckt und in nicht näher dargestellter Weise mit der Wandung 15 verbunden. In dem Bereich des Gehäuses 12, in dem es innerhalb der Bohrung 16 der Wandung 15 angeordnet ist, sind auf der Außenseite des Gehäuses zwei axial beabstandete Dichtungen 18 in Form von O-Ringen vorgesehen, die die Außenseite des Gehäuses 12 gegenüber der Wandung 15 abdichten.
Das Gehäuse 12 ist mehrteilig aufgebaut und umfasst ein 1. Gehäuseteil 13, das seitlich hervorstehende Flansche 17 aufweist, mit denen es außenseitig an der Wandung 15 anliegt. Die Flansche 17 besitzen auf ihrer der Wandung 15 zugewandten Seite jeweils zumindest eine Einlage 20 aus einem schallisolierenden Material.
Das 1. Gehäuseteil, das aus einem Material geringer akustischer Impedanz, beispielsweise Kunststoff, besteht, durchdringt mit einem rohrförmigen Abschnitt die Wandung 15 und steht von dieser hervor. Ein drittes rohrförmiges Gehäuseteil 19, das aus einem Material hoher akustischer Impedanz, insbesondere Stahl, besteht, ist am freien Ende des 1. Gehäuseteils 13 auf dieses aufgesetzt.
Ein 2. rohrförmiges Gehäuseteil 14, das ebenfalls aus einem Material geringer akustischer Impedanz, insbesondere Kunststoff, besteht, ist auf das 3. Gehäuseteil 19 aufgesetzt und trägt an seinem freien, der Wandung 15 abgewandten Ende einen Ultraschall-Sender 11. Wie insbesondere 2 zeigt, trennt das 3. Gehäuseteil 19 das 1. und 2. Gehäuseteil 13, 14 vollständig voneinander, so dass eine eventuelle Stör Schwingung, die sich in dem äußeren 2. Gehäuseteil 14 ausbreitet, auf die Grenzfläche zwischen dem 2. Gehäuseteil 14 und dem 3. Gehäuseteil 19 trifft und dort weitestgehend reflektiert wird. Falls ein Anteil der Stör-Schwingung in das 3. Gehäuseteil 19 eintreten sollte, trifft sie im weiteren Verlauf auf die Grenzfläche zwischen dem 3. Gehäuseteil 19 und dem 1. Gehäuseteil 13 und wird dort ebenfalls reflektiert, da an beiden Grenzflächen jeweils Materialien mit großer unterschiedlicher akustischer Impedanz aufeinander treffen.
3 zeigt eine Abwandlung der Ausgestaltung gemäß 1 und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass das 3. Gehäuseteil 19 entfallen ist und statt dessen das 1. Gehäuseteil 13 aus Stahl besteht, so dass an der Grenzfläche zwischen dem 1. Gehäuseteil und dem 2. Gehäuseteil 14 wiederum die Störschwingung weitestgehend reflektiert wird.

Claims

Ultraschall-Durchflussmesser, mit einer Ultraschall-Einheit (10), die einen Ultraschall-Sender (11) und/oder einen Ultraschall-Empfänger aufweist, der in einem Endbereich eines rohrförmigen Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (12) mit seinem entgegengesetzten anderen Endbereich an einer Wandung (15) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) mehrere hintereinander angeordnete Gehäuseteile (13, 14; 13, 19, 14) aufweist, wobei aneinander angrenzende Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz bestehen.
Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus drei hintereinander angeordneten Gehäuseteilen (13, 14, 19) besteht, wobei die endseitigen Gehäuseteile (13, 14) jeweils aus einem Material geringer akustischer Impedanz bestehen und durch ein zwischengeschaltetes 3. Gehäuseteil (19) aus einem Material hoher akustischer Impedanz voneinander getrennt sind.
Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus zwei Gehäuseteilen (13, 14) besteht, wobei ein 1. Gehäuseteil, das an der Wandung (15) angebracht ist, aus einem Material hoher akustischer Impedanz und ein 2. Gehäuseteil (14), das den Ultraschall-Sender (11) und/oder den Ultraschall-Empfänger trägt, aus einem Material geringer akustischer Impedanz besteht.
Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material hoher akustischer Impedanz Stahl ist.
Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material geringer akustischer Impedanz ein Kunststoff ist.
Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) an seinem dem Ultraschall-Sender (11) und/oder Ultraschall-Empfänger abgewandten Ende seitliche Flansche (17) aufweist, mit denen es an der Wandung (15) anliegt, wobei die Flansche (17) auf ihrer der Wandung (15) zugewandten Seite zumindest eine schallisolierende Einlage (20) tragen.
Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schallisolierende Einlage (20) aus Kunststoff besteht.