DE10205545A1 - Flowmeter, e.g. ultrasound or vortex flowmeter, comprises seal that is positioned between ultrasound waveguide and measuring tube - Google Patents
Flowmeter, e.g. ultrasound or vortex flowmeter, comprises seal that is positioned between ultrasound waveguide and measuring tubeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät, mit einem Meßrohr, einem Ultraschallwandler, einem Ultraschallwellenleiter und einer Dichtung, wobei der Ultraschallwandler außerhalb des Meßrohrs mit dem Ultraschallwellenleiter derart verbunden ist, daß von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen auf den Ultraschallwellenleiter übertragbar sind bzw. von dem Ultraschallwellenleiter empfangene Ultraschallwellen auf den Ultraschallwandler übertragbar sind, und der Ultraschallwellenleiter wenigstens teilweise in das Meßrohr eingeführt ist. The invention relates to a flow meter, with a measuring tube, a Ultrasonic transducer, an ultrasonic waveguide and a seal, the Ultrasonic transducer outside the measuring tube with the ultrasonic waveguide is connected such that generated by the ultrasonic transducer Ultrasound waves are transferable to or from the ultrasound waveguide Ultrasonic waveguide received ultrasonic waves on the ultrasonic transducer are transferable, and the ultrasonic waveguide at least partially in the Measuring tube is inserted.
Ein solches Durchflußmeßgerät kann z. B. ein Ultraschalldurchflußmeßgerät oder ein Wirbelfrequenzdurchflußmeßgerät sein. Als Ultraschallwandler werden dabei typischerweise Piezokristalle verwendet, mit denen Ultraschallwellen erzeugt bzw. detektiert werden können. Such a flow meter can, for. B. an ultrasonic flow meter or a vortex frequency flow meter. As an ultrasonic transducer Piezocrystals are typically used with which Ultrasonic waves can be generated or detected.
Es gibt Anwendungen, bei denen es möglich ist, bei solchen Durchflußmeßgeräten lediglich einen Ultraschallwandler ohne Ultraschallwellenleiter vorzusehen, wobei mit dem Ultraschallwandler Ultraschallwellen erzeugt bzw. detektiert werden. In einem solchen Fall muß der Ultraschallwandler direkt dort angeordnet sein, wo die Ultraschallwellen eingekoppelt bzw. detektiert werden sollen. Dies ist jedoch insofern problematisch, als daß Piezokristalle, die, wie zuvor ausgeführt, typischerweise für Ultraschallwandler in Durchflußmeßgeräten eingesetzt werden, oberhalb einer bestimmten Temperatur, nämlich der sogenannten Curie-Temperatur, nicht mehr verwendet werden können. Oberhalb der Curie-Temperatur existiert nämlich keine ferroelektrische bzw. ferromagnetische Phase des Kristalls mehr, die Voraussetzung für die piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls ist. There are applications where it is possible in such Flow meters only an ultrasonic transducer without an ultrasonic waveguide to be provided, with the ultrasonic transducer generating or generating ultrasonic waves can be detected. In such a case, the ultrasonic transducer must be right there be arranged where the ultrasonic waves are coupled or detected should. However, this is problematic in that piezo crystals like previously executed, typically for ultrasonic transducers in Flow meters are used above a certain temperature, namely the so-called Curie temperature, can no longer be used. Above the Curie temperature, there is no ferroelectric or ferromagnetic phase of the crystal more, the prerequisite for that piezoelectric properties of the crystal.
Ist jedoch z. B. das strömende Medium, dessen Durchfluß mit dem Ultraschalldurchflußmeßgerät gemessen werden soll, sehr heiß, so daß dessen Temperatur über der Curie-Temperatur des Piezokristalls liegt, so ist für einen verläßlichen Betrieb eine gewisse thermische Isolierung des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium erforderlich. Aus diesem Grund werden bei Durchflußmeßgeräten Ultraschallwandler verwendet, mit denen ein räumlicher Abstand des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium hergestellt wird. Solche Ultraschallwellenleiter sollen einerseits eine möglichst gute Wärmeisolierung des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium und andererseits eine möglichst verlustfreie und ungestörte Übertragung der Ultraschallwellen gewährleisten. Mit einem solchen Ultraschallwellenleiter können dann also von einem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen in das strömende Medium eingekoppelt werden bzw. von dem Ultraschallwandler aus dem heißen Medium Ultraschallwellen ausgekoppelt werden, während der Ultraschallwandler von dem heißen Medium räumlich entfernt und zumindest in gewissem Maße von diesem thermisch isoliert ist. However, e.g. B. the flowing medium, the flow with the Ultrasonic flow meter to be measured, very hot, so that Temperature is above the Curie temperature of the piezo crystal, so for one reliable operation some thermal insulation of the Ultrasonic transducer from the hot medium required. For this reason used in flow meters ultrasonic transducers with which a spatial distance of the ultrasonic transducer from the hot medium becomes. Such ultrasonic waveguides should on the one hand be as good as possible Thermal insulation of the ultrasonic transducer from the hot medium and on the other hand a lossless and undisturbed transmission of the Ensure ultrasonic waves. With such an ultrasonic waveguide then ultrasonic waves generated by an ultrasonic transducer into the flowing medium are coupled or by the ultrasonic transducer ultrasonic waves are coupled out of the hot medium during the Ultrasonic transducers spatially distant from the hot medium and at least to some extent is thermally insulated from it.
In herkömmlichen Durchflußmeßgeräten mit einem Ultraschallwandler und einem diesem zugeordneten Ultraschallwellenleiter werden z. B. solche Ultraschallwellenleiter verwendet, wie in der WO 96/41157 beschrieben. Dabei wird als Ultraschallwellenleiter eine Mehrzahl von zueinander parallelen, sehr dünnen Stäben verwendet, wobei die einzelnen Stabdurchmesser jeweils wesentlich geringer als die Wellenlänge des zu führenden Ultraschallsignals sind. Typischerweise werden dabei die Stäbe eng aneinander anliegend in eine Röhre eingepaßt, die den Stäben seitlich Halt bietet und somit einen Mantel für den Ultraschallwellenleiter darstellt. Auf diese Weise wird ein kompakter Ultraschallwellenleiter realisiert. In conventional flowmeters with an ultrasonic transducer and an associated ultrasonic waveguide z. B. such Ultrasonic waveguide used, as described in WO 96/41157. there is used as an ultrasonic waveguide, a plurality of mutually parallel, very thin rods are used, the individual rod diameters each are significantly less than the wavelength of the ultrasound signal to be guided. Typically, the rods are placed close together in one Fitted tube that provides lateral support for the rods and thus a jacket for represents the ultrasonic waveguide. This way it becomes a more compact one Ultrasonic waveguide realized.
Aus der WO 96/41157 ist für einen Ultraschallwellenleiter ferner eine solche Konstruktion bekannt, bei der im wesentlichen kreisförmig gebogene Bleche ineinander mit Abstand zueinander angeordnet sind. Diese kreisförmig gebogenen Bleche befinden sich ebenfalls in einer Röhre, die damit einen äußeren Mantel für den Ultraschallwellenleiter darstellt. WO 96/41157 is also one for an ultrasonic waveguide Construction known in the case of essentially circularly curved sheets are arranged at a distance from each other. This circular curved sheets are also in a tube, which is an outer Sheath for the ultrasonic waveguide.
Außerdem ist aus der EP 1 098 295 ein solcher Ultraschallwellenleiter bekannt, der aus einer zusammengerollten Folie besteht, die mit Paßsitz in eine metallische Röhre eingesteckt ist. Dabei ist vorgesehen, daß zur Übertragung von Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 15 kHz bis 20 MHz die Schichtdicke der Folie weniger als 0,1 mm beträgt. Als Material für diese Folie wird typischerweise ein Metall verwendet. Such an ultrasonic waveguide is also known from EP 1 098 295 known, which consists of a rolled-up film with a snug fit in a metallic tube is inserted. It is provided that for transmission of ultrasonic waves in the frequency range from 15 kHz to 20 MHz Layer thickness of the film is less than 0.1 mm. As material for this Foil is typically a metal.
Im allgemeinen wird so vorgegangen, daß der Ultraschallwandler an einem Ende des Ultraschallwellenleiters derart angeordnet wird, daß von dem Ultraschallwandler Ultraschallwellen in den Ultraschallwellenleiter eingekoppelt bzw. von diesem empfangen werden können. Dabei ist der Ultraschallwandler typischerweise direkt, also mit körperlichem Kontakt, auf ein Ende des Ultraschallwellenleiters aufgesetzt. Bei dem zuvor beschriebenen Ultraschallwellenleiter aus einer zusammengerollten Folie gemäß der EP 1 098 295 ist im allgemeinen vorgesehen, daß die Enden des Ultraschallwellenleiters jeweils verschweißt und plangedreht sind. Der Ultraschallwandler befindet sich dann auf dieser verschweißten und plangedrehten Fläche des Ultraschallwellenleiters. In general, the procedure is such that the ultrasonic transducer on one End of the ultrasonic waveguide is arranged such that the Ultrasonic transducers are coupled into the ultrasonic waveguide or can be received by it. Here is the ultrasonic transducer typically directly, i.e. with physical contact, at one end of the Ultrasonic waveguide placed. With the previously described Ultrasonic waveguide made of a rolled-up foil according to EP 1 098 295 is in the generally provided that the ends of the ultrasonic waveguide each are welded and face-turned. The ultrasonic transducer is then located on this welded and face - turned surface of the Ultrasonic waveguide.
Wie eingangs beschrieben, ist bei den Durchflußmeßgeräten, von denen die Erfindung ausgeht, vorgesehen, daß der Ultraschallwellenleiter wenigstens teilweise in das Meßrohr eingeführt ist. Auf diese Weise ist es möglich, daß der Ultraschallwellenleiter in direkten Kontakt mit dem Medium kommt, in das Ultraschallwellen eingekoppelt bzw. von dem Ultraschallwellen empfangen werden sollen. Nunmehr besteht jedoch das Problem, das Meßrohr mit dem eingeführten Ultraschallwandler nach außen hin abzudichten. Dazu kann so vorgegangen werden, daß entweder der Ultraschallwellenleiter über seinen Mantel direkt in daß Meßrohr eingefügt wird, z. B. durch Verschweißen. Andererseits ist es möglich, den Ultraschallwellenleiter in einen Flansch einzusetzen, z. B. ebenfalls durch Einschweißen, und dann diesen Flansch an einem diesem entsprechenden Flansch am Meßrohr zu befestigen. Die Dichtung erfolgt dann zwischen Flansch und Flansch. As described at the beginning, the flow meters, of which the Invention starts, provided that the ultrasonic waveguide at least is partially inserted into the measuring tube. In this way it is possible that the ultrasonic waveguide comes into direct contact with the medium the ultrasonic waves are coupled in or from the ultrasonic waves should be received. Now there is the problem with the measuring tube to seal the inserted ultrasonic transducer to the outside. This can be done so that either the ultrasonic waveguide over his Jacket is inserted directly into the measuring tube, e.g. B. by welding. On the other hand, it is possible to place the ultrasonic waveguide in a flange use, e.g. B. also by welding, and then this flange on one to attach this corresponding flange to the measuring tube. The seal then takes place between flange and flange.
Ist der Ultraschallwellenleiter mittels eines Flansches wenigstens teilweise in das Meßrohr eingeführt, so kann dies auch mittels eines am Meßrohr angeordneten Stutzens erfolgen. Dabei kann der Wellenleiter dann auch so angeordnet sein, daß er nicht über die Außenwand des Meßrohres in dieses hineinreicht. Trotzdem liegt dabei im Sinne der Erfindung eine wenigstens teilweise Einführung des Wellenleiters in das Meßrohr vor, da sich der Wellenleiter in dem durch den Stutzen gebildeten Hohlraum befindet, der unmittelbar mit dem Inneren des Meßrohrs in Verbindung steht. Die Erfindung ist also nicht auf solche Konstruktionen beschränkt, bei denen der Wellenleiter derart wenigstens teilweise in das Meßrohr eingeführt ist, daß er in das Innere des Meßrohrs hineinragt. Der Wellenleiter kann also auch gegenüber dem Meßrohr zurückgezogen sein. Wesentlich ist lediglich, daß der Wellenleiter durch die wenigstens teilweise Einführung in das Meßrohr zumindest mittelbar in Kontakt mit dem durch das Meßrohr fließenden Medium kommt. Is the ultrasonic waveguide at least partially in by means of a flange inserted the measuring tube, this can also be done by means of a measuring tube arranged nozzle take place. The waveguide can then also be arranged in this way be that it does not reach into the outer tube of the measuring tube. Nevertheless, in the sense of the invention there is at least partially Introduction of the waveguide in the measuring tube before, because the waveguide in the is formed by the nozzle cavity that directly with the Inside the measuring tube is connected. So the invention is not on such constructions are limited in which the waveguide at least in this way is partially inserted into the measuring tube that it is inside the measuring tube protrudes. The waveguide can therefore also face the measuring tube be withdrawn. It is only essential that the waveguide through the at least partially inserted into the measuring tube at least indirectly in contact with the medium flowing through the measuring tube.
Problematisch ist jedoch, daß durch die Anbringung des Flansches am Meßrohr, die typischerweise über einen Stutzen realisiert wird, der schon angesprochene Hohlraum entsteht, der die Strömung des Mediums in dem Meßrohr stören kann. Das Medium kann also in den durch diesen Stutzen gebildeten Hohlraum eindringen und damit bis zu der Dichtung zwischen den Flanschen gelangen, was ferner erfordert, daß diese Dichtung an die Temperatur eines gegebenenfalls sehr heißen Mediums angepaßt sein muß. Damit ist die Materialwahl für diese Dichtung beschränkt, was auch bezüglich der Unterdrückung eines Kreuzkopplung bzw. Nebensprechen genannten Phänomens nachteilig ist. The problem is, however, that by attaching the flange on Measuring tube, which is typically realized via a nozzle that already addressed cavity arises, which is the flow of the medium in the Measuring tube can interfere. The medium can therefore in through this nozzle formed cavity penetrate and thus up to the seal between the Flanges get, which also requires that this seal to the temperature a possibly very hot medium must be adapted. So that's it The choice of material for this seal is limited, which also applies to the Suppression of a phenomenon called cross coupling or crosstalk is disadvantageous.
Bei den in Rede stehenden Durchflußmeßgeräten ist nämlich problematisch, daß von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen beim Aussenden nicht nur in den Ultraschallwellenleiter sondern auch in den Mantel eingekoppelt werden, der den Ultraschallwellenleiter umgibt. Entsprechendes gilt, wenn der Ultraschallwandler zur Detektion von Ultraschallwellen vorgesehen ist. Dann gelangen nämlich Ultraschallwellen nicht nur über den Ultraschallwellenleiter sondern auch über den Mantel zum Ultraschallwandler. Somit kommt es dazu, daß nicht nur über die Ultraschallwellenleiter ausgesandten bzw. detektierten Ultraschallwellen sondern auch über den jeweiligen Mantel ausgesandte bzw. empfangene Ultraschallwellen detektiert werden. Ist nun der Ultraschallwellenleiter über seinen Mantel in die Wandung des Meßrohres eingebaut, in der das Medium strömt, dessen Durchfluß bestimmt werden soll, so kommt es dazu, daß nicht nur durch das Medium hindurchtretende Ultraschallwellen, sondern auch solche Ultraschallwellen erfaßt werden, die sich über die Wandung des Rohres hinweg von bzw. zu dem Ultraschallwandler bewegen. Dieses Phänomen der Kreuzkopplung bzw. des Nebensprechens führt gegebenenfalls zu einer Überlagerung oder vollständigen Störung des eigentlich interessierenden Meßsignals. In the case of the flow meters in question, it is problematic that that ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer when emitted not only in the ultrasonic waveguide but also in the jacket be coupled in, which surrounds the ultrasonic waveguide. The same applies, if the ultrasound transducer is provided for the detection of ultrasound waves is. Then ultrasound waves do not only get through the Ultrasonic waveguide but also via the jacket to the ultrasonic transducer. Consequently it happens that not only emitted via the ultrasonic waveguide or detected ultrasonic waves but also via the respective jacket emitted or received ultrasound waves are detected. Now is that Ultrasonic waveguide over its jacket in the wall of the measuring tube installed in which the medium flows, the flow of which is to be determined, so it happens that not only those passing through the medium Ultrasonic waves, but also those ultrasonic waves that are detected over the wall of the tube from or to the ultrasonic transducer move. This phenomenon of cross coupling or crosstalk possibly leads to an overlay or complete disruption of the measurement signal actually of interest.
Die damit verbundene Problematik wird insbesondere dann deutlich, wenn
man sich vergegenwärtigt, daß bei dem Übergang von Ultraschallwellen
zwischen zwei voneinander verschiedenen Medien für den
Transmissionskoeffizienten unter Außerachtlassung von geometrischen Effekten gilt:
T = 4(z1/2z)/(1 + z1/z2)2.
The problem associated with this becomes particularly clear when one realizes that when ultrasound waves are transferred between two different media, the transmission coefficient applies, disregarding geometric effects:
T = 4 (z 1/2 z) / (1 + z 1 / z 2). 2
Dabei stellen 21 und 22 die charakteristischen Impedanzen des ersten bzw. des zweiten Mediums dar, zwischen denen der Übergang der Ultraschallwellen erfolgt. Beim Übergang von Stahl in Luft liegt der zuvor genannte Transmissionskoeffizient T bei ca. 0,004%. Dem entspricht, daß ein wesentlicher Teil der akustischen Energie, nämlich 99,996%, verlorengeht. Ein maßgeblicher Teil dieser verlorengehenden Energie findet sich in der unerwünschten Kreuzkopplung wieder. Die Kreuzkopplung bestimmt somit im wesentlichen Maße das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der in Rede stehenden Durchflußmeßgeräte. 21 and 22 represent the characteristic impedances of the first and the second medium, between which the transition of ultrasonic waves he follows. At the transition from steel to air there is the aforementioned Transmission coefficient T at approx. 0.004%. That corresponds to an essential part acoustic energy, namely 99.996%, is lost. An authoritative one Part of this lost energy is found in the unwanted Cross coupling again. The cross coupling essentially determines the extent the signal-to-noise ratio of the flow meters in question.
Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Durchflußmeßgerät dahingehend zu verbessern, daß Kreuzkopplungen und Nebensprechen weiter verringert werden, während gleichzeitig eine Störung des durch das Meßrohr strömende Mediums so gering wie möglich gehalten wird. Accordingly, it is the object of the invention to begin with flow meter described to improve that cross couplings and Crosstalk can be further reduced while making a disturbance of the medium flowing through the measuring tube is kept as low as possible becomes.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Durchflußmeßgerät ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichtung zwischen dem Ultraschallwellenleiter und dem Meßrohr angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist also der Ultraschallwellenleiter weder direkt mit dem Meßrohr verbunden, noch ist die Dichtung zwischen einem Flansch, in dem der Ultraschallwellenleiter befestigt ist, und einem diesen entsprechenden Flansch am Meßrohr vorgesehen. Starting from the flow meter described at the outset is the previously derived and shown problem solved according to the invention in that the seal between the ultrasonic waveguide and the measuring tube is arranged. According to the invention, the ultrasonic waveguide is therefore neither direct connected to the measuring tube, the seal is still between a flange, in which the ultrasonic waveguide is attached, and one of these appropriate flange provided on the measuring tube.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise, daß die Dichtung zwischen dem Ultraschallwellenleiter und dem Meßrohr angeordnet ist, ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. Einerseits wird durch die Dichtung, die aus einem vom Material des Meßrohrs verschiedenen Material besteht, die Übertragung akustischer Energie gegenüber einem solchen Fall, bei dem der Ultraschallwellenleiter direkt in die Wand des Meßrohrs eingesetzt ist, verschlechtert. Mit anderen Worten wird der Transmissionskoeffizient für diesen Übergang sehr klein. Außerdem ist es durch die erfindungsgemäße Maßnahme möglich, die Dichtung auch bei der Verwendung eines am Meßrohr vorgesehenen Stutzens derart anzubringen, daß praktisch kein zusätzlicher Hohlraum in dem Meßrohr gebildet wird. Somit kommt es praktisch zu keinen Verwirbelungen des durch das Meßrohr strömenden Mediums, was die Meßgenauigkeit des Durchflußmeßgerätes erhöht. The procedure according to the invention that the seal between the Ultrasonic waveguide and the measuring tube is arranged is different Reasons advantageous. On the one hand, the seal that comes from one of the Material of the measuring tube is made of different material, the transmission acoustic energy compared to a case in which the Ultrasonic waveguide inserted directly into the wall of the measuring tube deteriorates. With in other words, the transmission coefficient becomes very large for this transition small. In addition, it is possible through the measure according to the invention that Seal also when using a connector provided on the measuring tube to be attached such that practically no additional cavity in the measuring tube is formed. So there is practically no turbulence the measuring tube flowing medium, which the measuring accuracy of Flow meter increased.
Eine besonders gute Dichtwirkung wird erzielt, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Dichtung in radialer Richtung auf den Ultraschallwellenleiter wirkt. Dazu liegt die Dichtung vorzugsweise an dem Ultraschallwellenleiter längs seines Umfangs an. A particularly good sealing effect is achieved if according to a preferred development of the invention, the seal in the radial direction on the Ultrasonic waveguide works. For this purpose, the seal is preferably on the Ultrasonic waveguide along its circumference.
Die erfindungsgemäße Dichtungsmaßnahme kann derart ausgeführt sein, daß die Dichtung zwischen dem Ultraschallwellenleiter und dem eigentlichen Meßrohr angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß das Meßrohr einen Stutzen aufweist, der Ultraschallwellenleiter über den Stutzen in das Meßrohr eingeführt ist und die Dichtung zwischen dem Ultraschallwellenleiter und dem Stutzen angeordnet ist. Dabei kann der Stutzen fest mit dem Meßrohr verbunden sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß der Stutzen an dem Meßrohr lösbar befestigt ist. Dies erleichtert die Montage. The sealing measure according to the invention can be carried out in such a way that the seal between the ultrasonic waveguide and the actual one Measuring tube is arranged. According to a preferred development of the However, the invention provides that the measuring tube has a nozzle which Ultrasonic waveguide is inserted into the measuring tube via the nozzle and the Seal between the ultrasonic waveguide and the nozzle arranged is. The nozzle can be firmly connected to the measuring tube. According to A preferred development of the invention, however, provides that the Stub is releasably attached to the measuring tube. This makes assembly easier.
Die Erfindung betrifft ferner ein Durchflußmeßgerät, mit einem Meßrohr, einem Ultraschallwandler, einer Ultraschallwandlerhalterung und einer Dichtung, wobei der Ultraschallwandler an der Ultraschallwandlerhalterung derart befestigt und die Ultraschallwandlerhalterung derart wenigstens teilweise in das Meßrohr eingeführt ist, daß von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen über die Ultraschallwandlerhalterung in ein in dem Meßrohr fließendes Medium übertragbar sind bzw. aus dem Medium empfangene Ultraschallwellen über die Ultraschallwandlerhalterung auf den Ultraschallwandler übertragbar sind. The invention further relates to a flow meter, with a measuring tube, an ultrasonic transducer, an ultrasonic transducer holder and one Seal, wherein the ultrasonic transducer on the ultrasonic transducer holder such attached and the ultrasonic transducer holder at least partially in such the measuring tube is inserted that generated by the ultrasonic transducer Ultrasonic waves via the ultrasonic transducer holder in a in the measuring tube flowing medium are transferable or received from the medium Ultrasonic waves on the ultrasonic transducer holder on the ultrasonic transducer are transferable.
Bei diesem Durchflußmeßgerät mit einer Ultraschallwandlerhalterung bestehen ähnliche Probleme wie bei dem eingangs beschriebenen Durchflußmeßgerät mit einem Ultraschallwellenleiter. With this flow meter with an ultrasonic transducer holder there are similar problems to those described at the beginning Flow meter with an ultrasonic waveguide.
Dementsprechend ist es außerdem die Aufgabe der Erfindung, das zuvor beschriebene Durchflußmeßgerät dahingehend zu verbessern, daß Kreuzkopplungen und Nebensprechen weiter verringert werden, während gleichzeitig eine Störung des durch das Meßrohr strömenden Mediums so gering wie möglich gehalten wird. Accordingly, it is also the object of the invention to do the above flow meter described to improve that Cross-talk and crosstalk can be further reduced while at the same time a disturbance of the medium flowing through the measuring tube is as low as is kept possible.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Durchflußmeßgerät mit einer Ultraschallwandlerhalterung ist die zuvor aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dichtung zwischen der Ultraschallwandlerhalterung und dem Meßrohr angeordnet ist. Starting from the flow meter described above with a Ultrasonic transducer holder, the above problem is solved in that the seal between the ultrasonic transducer holder and the measuring tube is arranged.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist auch hier vorgesehen, daß die Dichtung in radialer Richtung auf die Ultraschallwandlerhalterung wirkt. Vorzugsweise liegt dabei die Dichtung an der Ultraschallwandlerhalterung längs ihres Umfangs an. According to a preferred development of the invention is also here provided that the seal in the radial direction on the Ultrasonic transducer holder works. The seal is preferably on the Ultrasonic transducer holder along its circumference.
Sowohl für das Durchflußmeßgerät mit einem Ultraschallwellenleiter als auch für das Durchflußmeßgerät mit einer Ultraschallwandlerhalterung gilt, daß die Dichtung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ringförmig ist. Andere Formen der Dichtung sind grundsätzlich möglich, eine ringförmige Dichtung gewährleistet jedoch eine besonders gute Abdichtung. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, daß die Dichtung eine Packung von Ringdichtungen umfaßt. Insbesondere kommt eine solche Packung von Ringdichtungen in Betracht, wie sie z. B. auch in anderen technischen Bereichen als Ventilschaftpackung zur Abdichtung eines sich in Längsrichtung bewegenden Ventilschafts verwendet wird. Dabei ist jedoch nur die Abdichtfunktion der Packung von Ringdichtungen im stationären Zustand von Interesse; das Vermögen von Ventilschaftpackungen auch gegenüber einem sich in Längsrichtung bewegenden Schaft eine Abdichtung zu bewirken ist nicht wesentlich, da der in Rede stehende Ultraschallwellenleiter und die in Rede stehende Ultraschallwandlerhalterung auch im Betrieb des Durchflußmeßgeräts im wesentlichen stationär bleiben, also keine Bewegung ausführen. Lediglich bei Temperaturschwankungen können geringe Verschiebungen auftreten. Both for the flow meter with an ultrasonic waveguide and for the flowmeter with an ultrasonic transducer holder, the Seal according to a preferred development of the invention ring-shaped is. Other forms of sealing are basically possible, one however, an annular seal ensures a particularly good seal. It is it particularly preferred that the seal be a pack of Ring seals include. Such a packing of ring seals comes in particular Consider how z. B. also in other technical areas than Valve stem packing for sealing a moving in the longitudinal direction Valve stem is used. However, only the sealing function is Packing of ring seals in the stationary state of interest; the Assets of valve stem packs also in relation to one another in the longitudinal direction Sealing the moving shaft is not essential since the Ultrasonic waveguide in question and the one in question Ultrasonic transducer holder also in the operation of the flow meter in remain essentially stationary, i.e. do not move. Only at Slight shifts can occur due to temperature fluctuations.
Grundsätzlich sind für die Ringdichtungen eine Vielzahl von Materialien einsetzbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bestehen die Ringdichtungen jedoch aus Graphit, Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Perfluorelastomer. Diese Materialien haben sich insbesondere bei sehr heißen und/oder chemisch aggressiven Medien bewährt. Basically, a variety of materials are used for the ring seals used. According to a preferred development of the invention, the However, ring seals made of graphite, polytetrafluoroethylene (PTFE) and / or Perfluoroelastomer. These materials have become particularly hot and / or chemically aggressive media.
Beim Vorsehen einer oder mehrerer Ringdichtungen sind für die Abdichtung grundsätzlich keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die eine oder mehrere Ringdichtung aufweisende Dichtung senkrecht zur Dichtrichtung kraftbeaufschlagt ist. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Packung von Federringen, die derart angeordnet ist, daß sie, auf der der Dichtung abgewandten Seite durch ein Widerlager gehalten, von oben bzw. von unten auf die ebenfalls durch ein Widerlager fixierte Dichtung drücken. Auf diese Weise wird das Material der Dichtung längs der Richtung der ausgeübten Kraft komprimiert, und das Material der Dichtung weicht senkrecht dazu, also nach innen und nach außen, aus, so daß die Dichtwirkung durch Druck auf den Ultraschallwellenleiter bzw. die Ultraschallwandlerhalterung verbessert wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine weitere Verbesserung der Dichtwirkung bei kraftbeaufschlagter Dichtung dadurch, daß die Ringdichtungen im Querschnitt V-förmig sind. Durch die V-Form wird der zuvor beschriebene Effekt des Ausweichens des Materials der Dichtung nach innen bzw. außen erleichtert, so daß die Abdichtung noch weiter verbessert wird. Andererseits sind auch gute Erfahrungen gemacht worden mit Dichtungen, die im Querschnitt dreieckförmig sind. If one or more ring seals are provided for the seal basically no further measures are required. According to one preferred development of the invention, however, it is provided that one or several seals with ring seal perpendicular to the sealing direction is powered. This is preferably done by a pack of Spring washers, which are arranged so that they, on the seal opposite side held by an abutment, from above or from below on the also press the seal fixed by an abutment. In this way the material of the seal is along the direction of the force applied compressed, and the material of the seal deviates perpendicular to it, i.e. after inside and out, so that the sealing effect by pressure on the Ultrasonic waveguide or the ultrasonic transducer holder is improved. According to a preferred development of the invention, there is another Improvement of the sealing effect when the seal is under pressure by that the ring seals are V-shaped in cross section. Due to the V shape the previously described effect of evading the material of the Seal inward or outward relieved, so that the seal further is improved. On the other hand, good experiences have also been made with Seals that are triangular in cross-section.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Durchflußmeßgeräte auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt In detail, there are now a multitude of possibilities To design and develop flow meters according to the invention. This is done on the claims subordinate to the independent claims as well as preferred to the following detailed description Embodiments of the invention referenced with reference to the drawing. In the drawing shows
Fig. 1 eine Anordnung eines Ultraschallwandlers mit einem Ultraschallwellenleiter in einem Meßrohr eines Durchflußmeßgeräts gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 1 shows an arrangement of an ultrasonic transducer comprising an ultrasonic waveguide in a measuring tube of a flow meter according to a first preferred embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Anordnung eines Ultraschallwandlers mit einem Ultraschallwellenleiter in einem Stutzen eines Meßrohrs gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2 shows an arrangement of an ultrasonic transducer with an ultrasonic waveguide in a connecting piece of a measuring tube according to a second preferred embodiment of the invention and
Fig. 3 eine Anordnung eines Ultraschallwandlers mit einer Ultraschallwandlerhalterung in einem Meßrohr eines Durchflußmeßgeräts gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 3 shows an arrangement of an ultrasonic transducer with an ultrasonic transducer holder in a measuring tube of a flow meter according to a third preferred embodiment of the invention.
Aus Fig. 1 ist ein Bereich eines Meßrohrs 1 ersichtlich, in dem von einem Ultraschallwandler 2 erzeugte Ultraschallwellen über einen Ultraschallwellenleiter 3 in das Meßrohr eingekoppelt werden können. Der Ultraschallwellenleiter 3 besteht aus einer dünnen, zusammengerollten Metallfolie, deren Dicke bei ca. 0,1 mm liegt. Diese Metallfolie ist von einem Mantel 4 umgeben, der den Ultraschallwellenleiter 3 seitlich nach außen hin abschließt. Dieser Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3 ist ebenfalls aus Metall. Die Enden der dünnen, zusammengerollten Metallfolie 5 sind plangedreht und verschweißt. Außerhalb des Meßrohrs 1 ist auf dem dortigen Ende 5 des Ultraschallwellenleiters 3 der Ultraschallwandler 2 angeordnet. From FIG. 1, a portion of a measuring tube 1 can be seen, can be coupled into the generated from an ultrasonic transducer 2 ultrasonic waves through an ultrasonic waveguide 3 into the measuring tube. The ultrasonic waveguide 3 consists of a thin, rolled-up metal foil, the thickness of which is approximately 0.1 mm. This metal foil is surrounded by a jacket 4 , which closes the ultrasound waveguide 3 laterally to the outside. This jacket 4 of the ultrasonic waveguide 3 is also made of metal. The ends of the thin, rolled-up metal foil 5 are face-turned and welded. Outside the measuring tube 1 , the ultrasound transducer 2 is arranged on the end 5 of the ultrasound waveguide 3 there .
Zur Abdichtung ist zwischen dem Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3 einerseits und der Innenwand einer in dem Meßrohr 1 vorgesehenen Ausnehmung 6 andererseits eine Dichtung 7 vorgesehen. Bei der Dichtung 7 handelt es sich um eine Packung von Ringdichtungen, die in radialer Richtung einerseits auf den Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3 und andererseits auf die Innenwand der Ausnehmung 6 wirken. Die Dichtung 7 schließt am inneren Ende der Ausnehmung 6 in dem Meßrohr 1 genau mit den angrenzenden Bereichen 8 des Meßrohrs 1 ab. Auf diese Weise ist die Ausnehmung 6 im Meßrohr 1 für das durch das Meßrohr 1 strömende und nicht weiter dargestellte Medium nicht spürbar. Eine Störung der Strömung des Mediums durch die Ausnehmung 6 erfolgt also nicht. Eine gewisse, geringe Störung erfolgt lediglich dadurch, daß der Ultraschallwellenleiter 3 in einem kurzen Bereich in das strömende Medium hineinreicht. For sealing, a seal 7 is provided between the jacket 4 of the ultrasonic waveguide 3 on the one hand and the inner wall of a recess 6 provided in the measuring tube 1 on the other hand. The seal 7 is a pack of ring seals which act in the radial direction on the one hand on the jacket 4 of the ultrasound waveguide 3 and on the other hand on the inner wall of the recess 6 . The seal 7 closes at the inner end of the recess 6 in the measuring tube 1 exactly with the adjacent areas 8 of the measuring tube 1 . In this way, the recess 6 in the measuring tube 1 is not noticeable for the medium flowing through the measuring tube 1 and not shown. The flow of the medium through the recess 6 is therefore not disturbed. A certain, minor disturbance occurs only in that the ultrasonic waveguide 3 extends into the flowing medium in a short area.
Neben der Dichtung 7 ist zwischen einem an dem Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3 befestigten Flansch 8 und der Außenseite 9 des Meßrohrs 1 ein Entkopplungsring 10 vorgesehen. Dieser Entkopplungsring 10 muß nicht der Abdichtung des Meßrohrs 1 gegenüber der Umgebung dienen; die Abdichtung des Meßrohrs 1 wird ja schon von der Dichtung 7 übernommen. Außerdem ist der Raum zwischen dem Flansch 8 und der Dichtung 7 vorzugsweise belüftet, also nicht abgedichtet, wozu eine Belüftungsöffnung 21 in dem Flansch 8 vorgesehen ist. In addition to the seal 7 , a decoupling ring 10 is provided between a flange 8 fastened to the jacket 4 of the ultrasound waveguide 3 and the outside 9 of the measuring tube 1 . This decoupling ring 10 does not have to serve to seal the measuring tube 1 from the environment; the sealing of the measuring tube 1 is already taken over by the seal 7 . In addition, the space between the flange 8 and the seal 7 is preferably ventilated, ie not sealed, for which purpose a ventilation opening 21 is provided in the flange 8 .
Bei dieser Konstruktion ist ferner wesentlich, daß der Entkopplungsring 10 nicht mit dem Medium in Kontakt kommt, so daß der Entkopplungsring 10 weder gegen chemisch aggressive Substanzen resistent noch besonders hitzebeständig sein muß. Man ist also in der Materialwahl für den Entkopplungsring 10 sehr frei, so daß insbesondere ein solches Material für den Entkopplungsring 10 gewählt werden kann, das eine nur geringe Transmission für über den Mantel 4 und den Flansch 8 bzw. das Meßrohr 1 kommende akustische Energie aufweist. Kreuzkopplung bzw. Nebensprechen über diesen Weg wird somit sehr stark unterdrückt. In this construction, it is also essential that the decoupling ring 10 does not come into contact with the medium, so that the decoupling ring 10 does not have to be resistant to chemically aggressive substances or particularly heat-resistant. One is therefore very free in the choice of material for the decoupling ring 10 , so that in particular such a material for the decoupling ring 10 can be selected which has only a low transmission for acoustic energy coming via the jacket 4 and the flange 8 or the measuring tube 1 , Cross coupling or crosstalk via this path is thus very strongly suppressed.
Kreuzkopplung bzw. Nebensprechen wird jedoch auch dadurch unterdrückt, daß die Abdichtung mittels der Dichtung 7 erfolgt, die eine Packung von Ringdichtungen umfaßt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Transmission akustischer Energie von dem Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3 über eine solche Dichtung 7 in das Meßrohr 1 nur sehr gering ist. Die geringe Transmission akustischer Energie durch die Dichtung 7 hindurch bzw. durch den Entkopplungsring 10 hindurch ist in Fig. 1 jeweils durch dort endende Pfeile angegeben, die den Verlauf von von dem Ultraschallwandler 2 her kommenden Ultraschallwellen darstellen. Cross coupling or crosstalk is, however, also suppressed in that the sealing takes place by means of the seal 7 , which comprises a pack of ring seals. It has been shown that the transmission of acoustic energy from the jacket 4 of the ultrasonic waveguide 3 via such a seal 7 into the measuring tube 1 is only very low. The low transmission of acoustic energy through the seal 7 or through the decoupling ring 10 is indicated in FIG. 1 by arrows ending there, which represent the course of ultrasonic waves coming from the ultrasonic transducer 2 .
Im übrigen ist in dem Mantel 4 des Ultraschallwellenleiters 3, wie aus Fig. 1 ersichtlich, an dem dem Ultraschallwandler 2 zugewandten Ende eine über den gesamten Umfangsbereich des Ultraschallwandlers 3 verlaufende Nut 11 vorgesehen. Diese Nut 11 erstreckt sich über die gesamte Dicke des Mantels 4 und bewirkt, daß, wie mit den Pfeilen angedeutet, ein Einkoppeln akustischer Energie direkt in den Mantel 4 im Bereich des Ultraschallwandlers 2 nicht möglich ist. Jegliche akustische Energie, die über den Mantel 4 und anschließend durch die Dichtung 7 bzw. den Entkopplungsring 10 hindurch in das Meßrohr gelangt, muß also die gesamte Länge des Ultraschallwandlers 3durchlaufen. Damit ist die Laufstrecke der die Kreuzkopplung bewirkenden Ultraschallwellen wesentlich länger als die Laufstrecke des eigentlichen Meßsignals, so daß das von der Kreuzkopplung herrührende Störsignal zeitlich wesentlich nach dem eigentlichen Meßsignal erwartet werden kann. Auf diese Weise ist die Diskriminierung des Meßsignals gegenüber Störungen, die von einer Kreuzkopplung herrühren, wesentlich erleichtert. For the rest, in the jacket 4 of the ultrasound waveguide 3 , as can be seen from FIG. 1, a groove 11 is provided at the end facing the ultrasound transducer 2 and extends over the entire circumferential area of the ultrasound transducer 3 . This groove 11 extends over the entire thickness of the jacket 4 and has the effect that, as indicated by the arrows, it is not possible to couple acoustic energy directly into the jacket 4 in the region of the ultrasound transducer 2 . Any acoustic energy that passes through the jacket 4 and then through the seal 7 or the decoupling ring 10 into the measuring tube must therefore pass through the entire length of the ultrasonic transducer 3 . Thus, the path of the ultrasonic waves causing the cross coupling is considerably longer than the path of the actual measurement signal, so that the interference signal originating from the cross coupling can be expected significantly after the actual measurement signal. In this way, the discrimination of the measurement signal against interference resulting from a cross coupling is significantly facilitated.
Aus Fig. 2 ist eine Anordnung mit einem Ultraschallwandler 2, einem Ultraschallwellenleiter 3 und einer Dichtung 7 aus einer Packung von hier im einzelnen dargestellten Ringdichtungen 12 ersichtlich. Die Ringdichtungen 12 bestehen vorliegend vorzugsweise aus Graphit, PTFE oder Perfluorelastomer. Bei dieser aus Fig. 2 ersichtlichen Anordnung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Ultraschallwandler 2 mit dem Ultraschallwellenleiter 3 über einen Stutzen 13 an dem Meßrohr befestigt. Der Stutzen 13 ist seinerseits über eine Flanschverbindung 14 mit dem Meßrohr 1 lösbar verbunden. From Fig. 2 shows an arrangement with an ultrasonic transducer 2, an ultrasonic waveguide 3 and a seal 7 made of a pack of illustrated in detail ring seals 12 can be seen. The ring seals 12 are preferably made of graphite, PTFE or perfluoroelastomer. In this arrangement shown in FIG. 2 according to a second preferred exemplary embodiment of the invention, the ultrasonic transducer 2 is fastened to the measuring tube with the ultrasonic waveguide 3 via a connecting piece 13 . The connector 13 is in turn releasably connected to the measuring tube 1 via a flange connection 14 .
Bei diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ferner wesentlich, daß die Ringdichtungen 12 von oben her kraftbeaufschlagt sind. Oberhalb der Ringdichtungen 12 ist nämlich eine Packung von Federringen 15 vorgesehen, die über ein mit einem Anschlag 16 versehenes Rohr 17 auf die oberste Ringdichtung 12 drücken. Die auf diese Weise erfolgende Komprimierung der Ringdichtungen 12 bewirkt ein Ausdehnen des Materials der Ringdichtungen 12 nach innen bzw. nach außen, so daß die Dichtwirkung auf den Ultraschallwellenleiter 3 bzw. den Innenbereich des Stutzens 13 erhöht wird. Die Abdichtung bei der Flanschverbindung 14 erfolgt mit einem Dichtring 18. In this second preferred embodiment of the invention it is also essential that the ring seals 12 are acted upon from above. Above the ring seals 12 a pack of spring washers 15 is provided, which press on the top ring seal 12 via a tube 17 provided with a stop 16 . The compression of the ring seals 12 in this way causes the material of the ring seals 12 to expand inwards or outwards, so that the sealing effect on the ultrasound waveguide 3 or the inner region of the connecting piece 13 is increased. The flange connection 14 is sealed with a sealing ring 18 .
Aus Fig. 3 ist schließlich eine Anordnung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Bei dieser Anordnung ist kein Ultraschallwellenleiter, sondern eine Ultraschallwandlerhalterung 19 vorgesehen, mittels derer der Ultraschallwandler 2 räumlich sehr nahe an das durch das Meßrohr 1 fließende Medium gebracht werden kann. Eine solche Anordnung ist natürlich nur dann einsetzbar, wenn das durch das Meßrohr 1 strömende Medium nicht zu heiß ist, also bei der Verwendung eines Piezokristalls für den Ultraschallwandler 2 dessen Curie-Temperatur nicht übersteigt. From Fig. 3, finally, an arrangement with a third preferred embodiment of the invention is according visible. In this arrangement, there is no ultrasonic waveguide, but an ultrasonic transducer holder 19 is provided, by means of which the ultrasonic transducer 2 can be brought very close to the medium flowing through the measuring tube 1 . Such an arrangement can of course only be used if the medium flowing through the measuring tube 1 is not too hot, that is to say when a piezo crystal is used for the ultrasonic transducer 2, its Curie temperature does not exceed it.
Die Abdichtung erfolgt vorliegend mit einer Dichtung 7, die zwischen der Innenwand einer Ausnehmung 6 im Meßrohr 1 und der Außenwand der Ultraschallwandlerhalterung 19 angeordnet ist. Bei dieser Dichtung 7 handelt es sich ebenfalls um eine Packung von Ringdichtungen, die vorliegend jedoch nicht im einzelnen dargestellt sind. Wiederum ist die Dichtung 7 derart angeordnet, daß die Ausnehmung 6 im Meßrohr 1 keinen Hohlraum bildet, der für das durch das Meßrohr 1 strömende Medium eine Störung bewirken könnte. Sealing takes place in the present case with a seal 7 , which is arranged between the inner wall of a recess 6 in the measuring tube 1 and the outer wall of the ultrasonic transducer holder 19 . This seal 7 is also a pack of ring seals, which are not shown in detail here, however. Again, the seal 7 is arranged such that the recess 6 in the measuring tube 1 does not form a cavity which could cause a disturbance for the medium flowing through the measuring tube 1 .
Schließlich sind auch bei dem vorliegend beschriebenen dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Belüftungsöffnung 21 und ein Entkopplungsring 10 vorgesehen, wobei der Entkopplungsring 10 zwischen einem an der Ultraschallwandlerhalterung 19 angebrachten Flansch 22 einerseits und der Außenseite 9 des Meßrohrs 1 andererseits angebracht ist. Entsprechend der Funktionsweise der zuvor geschilderten bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung erfolgt auch hier eine effektive Dämpfung der durch die Dichtung 7 bzw. den Entkopplungsring 10 hindurchtretende akustische Energie, was Kreuzkopplungseffekte minimiert. Finally, in the third preferred exemplary embodiment of the invention described here, a ventilation opening 21 and a decoupling ring 10 are also provided, the decoupling ring 10 being fitted between a flange 22 attached to the ultrasound transducer holder 19 on the one hand and the outside 9 of the measuring tube 1 on the other hand. According to the mode of operation of the preferred exemplary embodiments of the invention described above, there is also effective damping of the acoustic energy passing through the seal 7 or the decoupling ring 10 , which minimizes cross-coupling effects.
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