DE19808701A1 - Durchflussmessvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Durchflußmessung weist ein von dem zu messendem Medium durchströmtes Meßrohr auf, an dem wenigstens zwei Ultraschallwandler angeordnet sind, die einen zur Meßrohrlängsachse schräg verlaufenden Schallstrahl senden bzw. empfangen. Die Meßrohrwand ist zum Durchtritt des Schallstrahls vom Sendeschallwandler in das Medium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler mit einer Ausnehmung versehen. Zwischen den Schallwandlern und dem Medium ist jeweils ein Schalleitkörper angeordnet, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl senkrecht hindurchtritt und der eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15fache der Schallimpedanz des Mediums beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus DE 40 10 148 A1 be­ kannt. Dabei wird eine Schall-Laufzeitmessung durchgeführt. Das heißt, der Sendeschallwandler ist direkt oder in einem bestimmten Winkel dreidimensional in Strömungsrichtung ausge­ richtet, während der Empfangsschallwandler entgegen der Strö­ mungsrichtung ausgerichtet und in einem solchen Abstand vom Sendeschallwandler angeordnet ist, daß der Ultraschall ent­ weder direkt auf den gegenüberliegenden Wandler gerichtet ist oder an der Meßrohrinnenwand wenigstens einmal (also V-förmig) zweimal (also W-förmig) oder noch öfter reflek­ tiert wird. Auch ist ein spiralförmiger Meßpfad bekannt, wo­ bei der Schall senkrecht zur Meßrohr-Längsachse in das Medi­ um ein- und aus dem Medium austritt und windschiefe Refle­ xionsflächen im Meßrohr vorgesehen sind (DE 43 36 370 C1).

Bei den bekannten Vorrichtungen treten beim Eintritt des Schalls von dem Sendeschallwandler in das Medium und beim Austritt des Schalls von dem Medium in den Empfangsschall­ wandler hohe Energieverluste durch Reflexionen auf, so daß das Nutzsignal um das 1000-Fache und mehr kleiner wird, bis es in die Nähe des elektronischen Rauschens kommt und unter­ geht. Damit kann beispielsweise der Durchfluß höherer ela­ stisch viskoser oder gar gasbläschen- oder partikelhaltiger Flüssigkeiten usw. schlecht oder gar nicht mehr gemessen wer­ den. Dies bedeutet derzeit, daß bisher dadurch die Grenzen der berührungslosen Ultraschallmeßtechnik für Gase und Flüs­ sigkeiten relativ schnell erreicht werden.

Neben der Laufzeitmessung kann die Durchflußmessung nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip erfolgen, bei dem ein Sende­ schallwandler und ein Empfangsschallwandler im gleichen Quer­ schnittsbereich im Meßrohr angeordnet und gemeinsam in oder gegen die Strömung ausgerichtet sind, oder es kann eine Kom­ bination von Ultraschall-Doppler- und Laufzeitmessung durch­ geführt werden, wie in DE 42 32 526 C2 beschrieben. Mit der kombinierten Doppler-Meßmethode lassen sich zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit auch noch Gasbläschen und Partikel berührungslos und in Echtzeit bestimmen. Es besteht z. B. in der Beschichtungsindustrie, beispielsweise für Filme und Lac­ ke, ein großes Bedürfnis, immer kleinere Gas- oder Fest­ stoff-Reflektoren zu orten. Je kleiner die Reflektoren sind, um so höher muß die eingestrahlte Energie bzw. um so kleiner müssen die Reflexionsverluste gehalten werden. Mit der bekannten Vorrichtung lassen sich Reflektoren bereits in der Größe « 1 µm orten; sie ist auch für lichtundurchlässige Medien geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine meßtechnisch stabile Ul­ traschalldurchfluß-Meßvorrichtung hoher Leistung bereit zu­ stellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Nach der Erfindung ist zwischen jedem Schallwandler und der Flüssigkeit oder dem sonstigen Medium, das das Rohr durch­ strömt, ein Schalleitkörper angeordnet, durch dessen Grenz­ fläche mit dem Medium der Schallstrahl senkrecht hindurch­ tritt. Durch den senkrechten Durchtritt ist das System nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz von den Brechungsindizes der Flüssigkeit oder des sonstigen Mediums, das das Rohr durchströmt, unabhängig, auch von der Temperatur.

Damit wird ein meßtechnisch stabiles System erhalten. Durch den Schalleitkörper werden die Schallwandler gegenüber dem Medium abgedichtet. Damit verhindert der Schalleitkörper bei elektrisch leitenden Medien zugleich elektrische Störungen der Schallwandler.

Der Erfindung liegen dabei folgende Überlegungen zugrunde: Energieverluste treten immer dort auf, wo zwei Medien mit un­ gleichen elastischen Eigenschaften zusammenstoßen. Schallwel­ len werden an Grenzflächen bei senkrechtem Einfall entweder reflektiert oder bei Schrägeinfall gebeugt und reflektiert, wobei gleichzeitig noch ein "Modenwandel" von transversal in longitudinal oder umgekehrt stattfinden kann. Jede Verände­ rung des physikalischen Zustandes einer Welle kostet Energie.

Das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle pr und dem Druck der einfallenden Welle pe wird als Re­ flexionsfaktor R bezeichnet.

Das Verhältnis von durchgelassener Welle pd zu einfallender Welle pe wird als Durchlässigkeitsfaktor D bezeichnet.

Entscheidend für die Größen R und D sind die Schallwellenwi­ derstände oder Schallimpedanz: Z₁ = ρ1.c₁ und Z₂ = ρ2.c₂.

So ist Z₁ gleich 46 für Edelstahl und Z₂ gleich 1,5 für Was­ ser.

Bei Energieverlusten wird in relativen Größen gerechnet.

So ist der Betrag des reflektierten Schalldruckes

Der Betrag der reflektierten Amplitude liegt also nur um 0,5 dB (< 5%) unter dem Betrag der einfallenden, so daß eine fast ideale Reflexion vorliegt.

Demgegenüber hat die durchgelassene Welle in Wasser einen Schalldruck, der etwa 24 dB unter dem Schalldruck der einfal­ lenden Welle in Edelstahl liegt.

Die relative Energiebilanz verschlechtert sich noch zuneh­ mend, wenn man chemisch-technische Flüssigkeiten, wie Lö­ sungsmittel-Gemische betrachtet, die folgende typischen Werte besitzen: c = 1200 m/s, ρ = 0,8 g/cm³ und damit Z ≈ 1 MPa/m.

Treffen Schallwellen an schräge Grenzflächen, kommt es noch zu weiteren Effekten aufgrund des Brechungsgesetzes nach Snellius:

sowie Wellenumwandlungseffekten, welche je nach Auftreffwin­ kel temperaturabhängig sind, weil die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.

Besonders wichtig für die Ortung von Reflektoren nach dem Doppler-Prinzip ist aber die Tatsache, daß mit dem Brechungs­ gesetz nur die Ausbreitungsrichtung der gebrochenen Schall­ welle, nicht aber ihre Amplitude ermittelt werden kann. Au­ ßerdem tritt stets eine lineare Polarisation auf. Die Ampli­ tude ist für die Bestimmung der Partikelgröße wichtig. Die Ortung von sehr kleinen Reflektoren in einem Medium (mit kei­ nem ΔZ) ist also dann wirkungsvoll und zuverlässig, wenn mit einem Schalleitkörper mit entsprechender konstruktiver Ge­ staltung Schalldruck ohne "Streueffekte" gerichtet in das zu bestimmende Medium eingeleitet bzw. daraus empfangen werden kann. Für das Laufzeitverfahren, ebenso wie für das verwandte "Sing around"-Prinzip eröffnet sich die Möglichkeit, Messun­ gen mit Flüssigkeiten bzw. Medien durchzuführen, die bisher nicht gemessen werden konnten. Beispielsweise waren Medien, die Dämpfungen von größer 10 dB/cm bei einer Frequenz von 1 MHz aufweisen, bisher weder einer Bestimmung der Strömungs­ geschwindigkeit noch einer Partikeldetektion zugänglich.

Im Gegensatz dazu konnte mit MID-Durchflußmessern (magne­ tisches induktives Prinzip nach Faraday) - allerdings mit Elektroden, also nicht berührungslos - die Strömungsgeschwin­ digkeit gemessen werden, aber nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten und keine Partikel. Demgegenüber ist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung auch zur Bestimmung von nicht leitfä­ higen Medien geeignet, wobei im Gegensatz zu den herkömmli­ chen Ultraschall-Durchflußmeßgeräten der Einsatz auf neue, bisher nicht zugängliche Medien erweitert wird, insbesondere kompressible Flüssigkeiten, Öle, hochgesättigte Suspensionen und Dispersionen, Klebstoffe mit Ausgasungseffekten, wie anaerobe Kleber und dgl.

Wie oben beschrieben, kommt es nämlich entscheidend darauf an, daß die ausgesandte physikalische Eigenart der Schallwel­ le unverfälscht und möglichst intensiv auf den Empfänger trifft. Dann und nur dann treten die oben genannten Vorteile ein.

Der Schalleitkörper hat in einer ersten Version zwei plan­ parallele Flächen. Dies ermöglicht, daß nur die longitudinale Schallwelle in die Flüssigkeit eingeleitet wird. Flüssigkei­ ten können nur solche longitudinale Wellen übertragen. So kann auch diese Welle in gleicher Art wieder empfangen wer­ den. Das ist auch hinsichtlich der Energieübertragung und Verluste die optimale Art.

Der Schalleitkörper in der zweiten Version, d. h. mit gestuf­ ten Schalldurchtrittsflächen gemäß dem Anspruch 4 entspricht ebenso dem Prinzip der planparallelen Flächen, allerdings längengestuft.

Da es konkave wie konvexe Piezo-Schallwandler gibt, muß die Fläche des Schalleitkörpers nicht planparallel sein. Die Schallaustrittsfläche zum zu messenden Medium kann deshalb auch als eine gewölbte Fläche entsprechend einer Linse ausge­ bildet sein. Es kommt nur darauf an, daß die Welle senkrecht zur jeweiligen Stelle der Oberfläche des Schalleitkörpers austritt.

Nachstehend sind die Schallgeschwindigkeit (c), Dichte (ρ), Schallimpedanz (Z) und (teilweise) die Dämpfung (D) für eini­ ge Stoffe angegeben.

Der Schalleitkörper bestehe erfindungsgemäß aus einem Mate­ rial, das eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache, vorzugsweise höchstens das 10-fache der Schallimpe­ danz der Flüssigkeit oder des sonstigen das Meßrohr durch­ strömenden Mediums beträgt. Damit wird eine hohe Energieein­ kopplung und demzufolge hohe Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.

Das Material des Schalleitkörpers muß allerdings auch einen hohen E-Modul von wenigstens 10 GPa, vorzugsweise wenigstens 20 GPa aufweisen.

Als besonders geeignetes Material für den Schalleitkörper hat sich Glaskohlenstoff herausgestellt. Glaskohlenstoff be­ sitzt eine Schallimpedanz von etwa 7 MPas/m, d. h. wenn das das Meßrohr durchströmende Medium, z. B. Wasser, eine Schal­ limpedanz von 1,5 MPas/m hat, liegt die Schallimpedanz von Glaskohlenstoff nur um etwa das Fünffache darüber. Zudem weist Glaskohlenstoff einen hohen E-Modul von 35 GPa auf.

Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)).

Gegebenenfalls kann erfindungsgemäß z. B. auch Quarzglas ver­ wendet werden oder Glaskeramik.

Glaskohlenstoff besitzt allerdings elektrisch leitende Eigen­ schaften. Demgemäß kann es bei Verwendung von Glaskohlenstoff als Schalleitkörper notwendig werden, zwischen dem Schal­ leitkörper und dem Schallwandler einen dünnen elektrischen Isolator, z. B. aus Kunststoff, beispielsweise Acrylkunst­ stoff, oder Keramik oder Glas, anzubringen, oder der Schal­ leitkörper wird auf "Ground" gelegt. Dann liegt auch die Flüssigkeit auf "Massepotential".

Demgegenüber ist, wenn das Medium Wasser eine Schallimpedanz von 1,5 MPas/m hat, aus der Sicht der Energiebilanz und der Beibehaltung physikalisch gleichartiger Schalldruckwellen, beispielsweise Stahl als Schalleitkörper ungeeignet, ebenso Aluminiumoxid-Keramik mit einer Schallimpedanz von 32 MPas/m.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Energiever­ luste und Verluste durch Umwandlung in andere Arten von Schallwellen (longitudinal in transversal), die sonst bei der Ultraschall-Durchflußmessung auftreten, wesentlich herabge­ setzt.

Damit werden Flüssigkeiten meßbar, die bisher einer Ultra­ schall-Durchflußmessung nicht zugänglich waren, insbesondere hochdämpfende, hochviskose, kompressible Flüssigkeiten, sowie Suspensionen oder Dispersionen mit einem hohen Partikelgehalt von z. B. 50 Gew.-% und mehr. So ist die erfindungsgemäße Vor­ richtung beispielsweise in der Papierindustrie zur Durch­ flußmessung der Flüssigkeiten für den Papiervorstrich oder -hauptstrich einsetzbar, oder zur Durchflußmessung von Lacken und Beschichtungsmittel und zugleich zur Detektion von Parti­ keln, die Fehlstellen in der Oberfläche erzeugen.

Bei üblichen, also nicht hochdämpfenden Flüssigkeiten kann wegen ihrer hohen Empfindlichkeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Schallweg kürzer und damit das Meßrohr im Durchmesser kleiner ausgebildet werden. Damit ist eine Minia­ turisierung der Meßvorrichtung möglich.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher als etwa zigarettenschachtelgroßer Meßkopf mit einer Durchgangs­ bohrung ausgebildet, an die das eine bzw. andere Ende des Meßrohres angeschlossen ist. Knapp daneben befindet sich die Elektronik des Meßwertaufnehmers.

Der Meßkopf kann dazu aus einem Meßkopfkörper z. B. aus Kunststoff, beispielsweise einem Fluorpolymeren, wie PVDF be­ stehen oder aus Edelstahl. Die Durchgangsbohrung kann an ih­ ren Enden jeweils mit einem Innengewinde versehen sein, in das das Meßrohr eingeschraubt ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung bei spiel­ haft näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßkopf;

Fig. 2 eine schematische Ansicht auf den Meßkopf von vorne gemäß den Pfeilen II-II in Fig. 1, jedoch mit winkel­ versetzten Schallwandlern und in vergrößerter Wieder­ gabe;

Fig. 2a und 2b einen Längsschnitt durch das Meßrohr an der plattge­ preßten Reflexionsfläche entlang der Linie IIa-IIa (also von oben gesehen) bzw. IIb-IIb (also von der Seite gesehen) in Fig. 2;

Fig. 3 eine Variante der Reflexionsfläche an der Meßrohr­ innenwand, die vor der Messung auf die vorwiegende Strömungsgeschwindigkeit der Messung radial verstell­ bar ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Meßrohr nach einer ande­ ren Ausführungsform; und

Fig. 4a und 4b jeweils einen Längsschnitt (von vorne bzw. von der Seite gesehen) durch das Meßrohr nach Fig. 4.

Der Meßkopf 1 nach Fig. 1 ist zur Ultraschall-Laufzeit­ messung ausgebildet. Dazu ist ein Meßrohr 2 mit einem Ultra­ schall-Sendewandler 3 und einem Ultraschall-Empfangswandler 4 versehen. Die beiden Wandler 3, 4 sind gegeneinander gerich­ tet, d. h. der Sendewandler 3 ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gemäß dem Pfeil 5 gerichtet, während der Emp­ fangswandler 4 gegen die Strömungsrichtung 5 gerichtet ist.

Ferner sind die Wandler 3, 4 in einem solchen Abstand vonein­ ander angeordnet, daß der Schallstrahl 6, der an einer Re­ flexionsfläche 7 an der Meßrohrinnenwand reflektiert wird, zwischen dem Sendewandler 3 und dem Empfangswandler 4 einen V-förmigen Verlauf besitzt.

Es versteht sich, daß der schräg zur Meßrohrlängsachse 8 verlaufende Schallstrahl auch zweimal oder noch öfter an der Meßrohrinnenwand reflektiert, also z. B. bei einer zweimali­ gen Reflexion auch einen W-förmigen oder Z-förmigen Verlauf aufweisen kann, oder z. B. einen VW-förmigen Verlauf.

Die Schallwandler 3, 4, die jeweils als plättchenförmige Pie­ zoelemente ausgebildet sind, sind jeweils auf der äußeren Stirnseite eines stiftförmigen Schalleitkörpers 10, 11 ange­ ordnet, der aus einem Material mit einer Schallimpedanz be­ steht, die höchstens das 15-Fache der Schallimpedanz der in dem Meßrohr 2 strömenden Flüssigkeit beträgt. Vorzugsweise bestehen die Schalleitkörper 10, 11 aus Glaskohlenstoff.

Zum Durchtritt des Schallstrahls 6 vom Sendeschallwandler 3 durch den Schalleitkörper 10 in die Flüssigkeit im Meßrohr 2 bzw. von der Flüssigkeit im Meßrohr 2 durch den Schal­ leitkörper 11 in den Empfangsschallwandler 4 ist das Meßrohr 2 am inneren Ende der Schalleitkörper 10, 11 mit einer fen­ sterförmigen Ausnehmung 12, 13 versehen.

Zwischen den Schallwandlern bzw. Piezoplättchen 3, 4 ist, falls erforderlich, eine Isolierschicht 14, 15 vorgesehen, z. B. aus Acryl, Keramik u.ä., um den Schalleitkörper 10, 11 von dem Piezoplättchen 3, 4 elektrisch zu isolieren.

Zur Aufnahme der Schalleitkörper 10, 11 sind auf dem Meß­ rohr Reiter oder ein kompakter Aufnahmekörper 16, 17 befe­ stigt, die jeweils mit einer Bohrung versehen sind, in denen die Schalleitkörper 10, 11 angeordnet sind. Um das Meßrohr 2 nach außen abzudichten, sind die Schalleitkörper 10, 11 in den Bohrungen durch O-Ringe oder dgl. Dichtmittel 18, 19, z. B. durch Fluorkohlen- bzw. Fluorkohlenwasserstoff-Polymere, wie Polytetrafluorethylen, abgedichtet, z. B. eingeklebt, ein­ gepreßt oder eingesintert.

Das Meßrohr 1 kann beispielsweise aus Stahl, Glas oder Glas­ kohlenstoff bestehen.

Um eine Schallbrechung nach Snellius (und weitere Störeffek­ te) an der Grenzfläche zwischen dem Schalleitkörper 10, 11 und der Flüssigkeit im Meßrohr 2 zu verhindern, tritt der Schallstrahl 6 durch diese Grenzfläche senkrecht hindurch. Dazu können die Schalleitkörper 10, 11 eine zu ihrer Längs­ achse senkrechte, also zum Piezoelement 3 bzw. 4 parallele Stirnfläche als Grenzfläche zur Flüssigkeit besitzen. Aller­ dings wird dadurch ein Totvolumen zwischen dieser Grenzflä­ che, der Bohrung in dem Aufnahmekörper 16, 17 und dem Meß­ rohr 2 gebildet. In diesem Totvolumen können sich Gasblasen ansammeln, die zu einer vorübergehenden Schwächung bzw. Un­ terbrechung des Schallstrahls 6 und damit zur Funktionsunfä­ higkeit der Vorrichtung führen können.

Um dies zu verhindern, ist gemäß Fig. 1 die Grenzfläche zwi­ schen den Schalleitkörpern 10, 11 und der Flüssigkeit im Meßrohr 1 mit treppenförmig angeordneten Schalldurchtritts­ flächen 21, 22, . . . versehen, die zum Schallstrahl 6 senkrecht verlaufen, wobei die Kanten der Treppe mit der Innenwandung des Meßrohres 2 fluchten.

Das Meßrohr 2 weist vorzugsweise einen runden oder einen ovalen und insbesondere einen kreisförmigen Durchmesser auf. Gegenüber Meßrohren mit viereckigem oder prismatischem Quer­ schnitt hat ein runder Querschnitt den Vorteil, daß keine so ungleiche Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ecken erfolgen kann. Gegenüber einem prismatischen Quer­ schnitt wird damit einerseits das Strömungsprofil-Verhältnis verbessert und zudem werden Ablagerungen in Ecken verhindert. Für einen kleinen Meßfehler kommt es besonders darauf an, daß man im Bereich gleicher Strömungsgeschwindigkeit mißt, und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Größe der Strö­ mungsgeschwindigkeit.

Die zur Meßrohrlängsachse 8 planparallele Reflexionsfläche 7 kann durch eine plattgepreßte Stelle des Meßrohres 2 gebil­ det werden (vgl. Fig. 2, 2a, 2b). Das heißt, bei einem Meß­ rohr aus Stahl kann beispielsweise in das Rohr ein Am­ boß-Körper mit einer planen Gegenfläche eingeführt und das Rohr an dieser Stelle mit einem Pressstempel von außen flachge­ drückt werden. Es genügt, daß diese Stelle einige Quadratmil­ limeter groß ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß weniger para­ sitäre Schallwellen auftreten.

Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Reflexionsfläche 7 aber auch durch die Stirnfläche eine Justierschraube 25 gebildet werden, die in eine Buchse 26 an dem Meßrohr 2 flüssigkeits­ dicht eingeschraubt ist. Damit kann die Reflexionsfläche 7 so justiert werden, daß der Schallstrahl 6 mit optimaler Ener­ gie vom Sendeschallwandler 3 zum Empfangsschallwandler 4 ge­ strahlt wird. Insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindig­ keiten kann damit durch Nachjustierung der Reflexionsfläche 7 dem Effekt entgegengewirkt werden, daß die schnell strömende Flüssigkeit den Schallstrahl 6 sozusagen "wegweht". Die radi­ al verstellbare Reflexionsfläche kann vor der Messung auf die vorwiegende Strömungsgeschwindigkeit oder während der Messung eingestellt werden.

Die zur Meßrohrlängsachse 8 radiale Stellung der Reflexions­ fläche 7 der Justierschraube 25 beeinflußt den Reflexionswin­ kel β und damit das mittige Eintreffen des Schallstrahles 6 im Empfänger 4. Bei sehr großen Strömungsgeschwindigkeiten wird der Schallstrahl 6 verweht. Die Folge ist, daß die Amplitude am Empfänger klein ist und gegebenenfalls gegen Null geht. Die radiale Verstellung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bildet dazu eine Abhilfe.

Eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zwischen laminarer und turbulenter Strömung ist insbesondere im inneren Quer­ schnittsbereich des Meßrohres 2 festzustellen, und zwar in­ nerhalb des Querschnittsbereich 27, also um den Meßrohrmit­ telpunkt herum, also zwischen der Meßrohrlängsachse 8 und etwa dem Radius r/3 des Meßrohres 2. Bei r ≧ 0,67 ist dies nicht mehr der Fall.

Wie Fig. 2 zu entnehmen, verläuft daher der Schallstrahl 6 nicht durch die Meßrohrlängsachse 8 und auch außerhalb des Innenquerschnittsbereich 27 des Meßrohres 2, sondern wegen des Durchmessers des Schallstrahls vorzugsweise bei r = 0,6 bis 0,8.

Dazu sind die Schallwandler 3, 4 zur Meßrohrlängsachse 8 um den Winkel α versetzt zueinander angeordnet. Der Schallstrahl 6 fällt damit in einem Winkel (α/2) zu der zur Reflexionsflä­ che 7 senkrechten Rohrmittellängsebene 28 auf die Reflexions­ fläche 7 (Fig. 2). Dieser Winkel ist selbstverständlich nicht der gleiche Winkel wie in Fig. 2a und b.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Flüs­ sigkeitsstroms nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip ausgebil­ det ist, ist, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, ein wei­ terer Empfangsschallwandler 4' an einem Schalleitkörper 11' vorgesehen, und zwar im gleichen Querschnittsbereich des Meßrohres 1, in dem der Sendeschallwandler 3 angeordnet ist, wobei der Empfangsschallwandler 4' ebenso wie der Sende­ schallwandler 3 in Strömungsrichtung 5 ausgerichtet ist. Bei einem Reflektorteilchen 29 wird, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, die reflektierte Strahlung 6' vom Empfangs­ schallwandler 4' empfangen. Dieses Empfangssignal ist ca. 500-1000 mal stärker, als bei den alten Konstruktionen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4, 4a und 4b weist der Schallstrahl 6 einen spiralförmigen Verlauf außerhalb des Rohrinnenbereichs auf. Dazu sind zwei (oder mehr) entspre­ chend angeordnete Reflexionsflächen 7, 7' in Form plattge­ preßter Rohrwandbereiche vorgesehen, auf die der Sendewandler 3 und der Empfangswandler 4 entsprechend ausgerichtet sind.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Durchflußmessung mit einem von dem zu messendem Medium durchströmten Meßrohr, an dem wenig­ stens zwei Ultraschallwandler angeordnet sind, die einen zur Meßrohrlängsachse schräg verlaufenden Schallstrahl senden bzw. empfangen, wobei die Meßrohrwand zum Durch­ tritt des Schallstrahls vom Sendeschallwandler in das Me­ dium bzw. vom Medium zum Empfangsschallwandler mit einer Ausnehmung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schallwandlern (3, 4, 4') und dem Medium je­ weils ein Schalleitkörper (10, 11, 11') angeordnet ist, durch dessen Grenzfläche mit dem Medium der Schallstrahl (6) senkrecht hindurchtritt und der eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15-fache der Schallimpedanz des Mediums beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Schalleitkörper (10, 11, 11') aus Glaskohlenstoff besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schalleitkörper (10, 11) und dem Schall­ wandler (3, 4) ein elektrischer Isolator (14, 15) vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche zum senkrechten Durchtritt des Schall­ strahls (6) mit treppenförmig angeordneten, zum Schall­ strahl (6) senkrecht verlaufenden Schalldurchtrittsflä­ chen (21, 22, 23 . . .) versehen ist, wobei die Kanten der Treppe auf einer Geraden liegen, die mit der Meßrohrin­ nenwand fluchtet.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (3, 4) ge­ geneinander ausgerichtet und in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß der Schallstrahl (6) an der Meßrohrinnenwand an wenigstens einer zur Meßrohr­ längsachse (8) planparallelen Reflektionsfläche (7, 71) reflektiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (2) außerhalb der Reflektionsflächen (7, 7') einen runden Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflektionsfläche oder Reflektionsflächen (7, 7') durch eine plattgepreßte Stelle des Meßrohres (2) gebildet wird bzw. werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die wenigstens eine Reflektionsfläche (7) durch die Stirnfläche einer Justierschraube (25) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schallstrahl (6) in einem Winkel (α/2) zu der zur Reflektionsfläche (7) senkrechten Meß­ rohrmittellängsebene (28) auf die Reflektionsfläche (7) fällt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α/2), in der Schallstrahl (6) zu der zur Re­ flektionsfläche (7, 7', 7'') senkrechten Meßrohrmittel­ längsebene (28) einnimmt, derart bemessen ist, daß der Schallstrahl (6) in einem Abstand von der Meßrohrlängs­ achse (8) verläuft, der größer ist als der halbe Radius (r/2) des Meßrohres (2).