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Die Erfindung betrifft einen Ultraschalldurchflussmesser.
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Ultraschalldurchflussmesser sind bekannt. Bei diesen Durchflussmessern wird das zu messende Fluid, wie bspw. Wasser, durch eine Messstrecke geleitet, entlang derer ein Ultraschallsignal gesendet wird. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in einem fluiden Medium abhängig von dessen relativer Geschwindigkeit ist, kann durch Laufzeitdifferenzmessung von Ultraschallwellen entlang einer von dem fluiden Medium durchströmten Messstrecke die Durchflussgeschwindigkeit des fluiden Mediums bestimmt werden. Bei Kenntnis des Strömungsquerschnitts der Messstrecke ergibt sich daraus die Durchflussmenge des Fluids.
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Unter anderem aus der
EP 2 317 288 A1 und der
EP 2 693 171 A1 sind Ultraschalldurchflussmesser bekannt, bei denen die von einem Ultraschallwandler ausgesendeten oder von diesem zu empfangende Ultraschallwellen von einem Umlenkspiegel in Richtung einer Messstrecke umgelenkt werden, die koaxial mit wenigstens einem Anschluss des Durchflussmessers angeordnet ist, mit dem der Ultraschalldurchflussmesser an eine fluidführende Leitung angeschlossen werden kann.
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Bei den Ultraschalldurchflussmessern gemäß
EP 2 317 288 A1 und
EP 2 693 171 A1 weisen die Umlenkspiegel einstückig angeformte Befestigungsarme auf, mit denen ein Umlenkspiegel im Gehäuse des Ultraschalldurchflussmessers befestigt werden kann. Die jeweils vorgeschlagenen Befestigungsmöglichkeiten des Umlenkspiegels erfordern in der Montage des Ultraschalldurchflussmessers jedoch etwas Aufwand.
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Des Weiteren sind im Stand der Technik Ultraschalldurchflussmesser bekannt, bei denen der Umlenkspiegel in einer gesonderten Umlenkspiegelhalterung angeordnet ist. Die Umlenkspiegelhalterung ist in der Regel aus Kunststoff gefertigt und erfordert zur Erreichung der erforderlichen Stabilität eine den Strömungsquerschnitt im Bereich der Halterung regelmäßig im unbefriedigendem Maße verkleinernde große Wandstärke. Um dies auszugleichen, wird häufig der Innendurchmesser des Sitzes der Umlenkspiegelhalterung im Gehäuse vergrößert, sodass trotz großer Wandstärken noch ein ausreichender Strömungsquerschnitt durch die Umlenkspiegelhalterung erreicht werden kann. Allerdings befindet sich der Sitz der Umlenkspiegelhalterung häufig in dem mit einem Außengewinde versehenen Anschlussbereich des Gehäuses, sodass durch eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Sitzes die Stärke der das Gewinde tragenden Wand verringert wird. Bei der Installation entsprechender Ultraschalldurchflussmesser kommt es dadurch regelmäßig zu Beschädigungen des Anschlussbereichs des Gehäuses, die im Extremfall den Ultraschalldurchflussmesser unbrauchbar machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschalldurchflussmesser zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder nur noch in vermindertem Umfang auftreten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Ultraschalldurchflussmesser gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung einen Ultraschalldurchflussmesser umfassend ein Gehäuse mit zwei innerhalb des Gehäuses durch einen Strömungskanal verbundenen Leitungsanschlüssen, wobei wenigstens ein Teil des Strömungskanals eine rohrförmige Messstrecke bildet, und wenigstens einen Ultraschallwandler mit dazugehörigem Umlenkspiegel, wobei der Umlenkspiegel wenigstens zwei Befestigungsarme zur Befestigung im Gehäuse aufweist und in seiner Einbauposition so angeordnet ist, dass von dem zugeordneten Ultraschallwandler abgegebene oder zu empfangende Ultraschallwellen von dem Umlenkspiegel in die oder aus der Messstrecke umgelenkt werden, und wobei sich der Ultraschalldurchflussmesser dadurch auszeichnet, dass das Gehäuse einer der Anzahl der Befestigungsarme entsprechenden Anzahl Nuten zur Aufnahme der freien Enden der Befestigungsarme aufweist, die sich von einem der Leitungsanschlüsse bis zur Position des in ein Nut einzuführenden freien Endes eines Befestigungsarmes in der Einbauposition des Umlenkspiegels erstreckt und im Querschnitt die größte Breite der Nuten abseits der Nutöffnung ist, und dass ein Sicherungselement mit einem Ansatzelement und einer der Anzahl der Nuten entsprechenden Anzahl an davon abstehenden Stützrippen vorgesehen ist, wobei die Stützrippen eine zum Einschieben in die Nuten vom Leitungsanschluss her geeignete, in Richtung senkrecht dazu formschlussgewährleistende Form aufweisen, um die in die Nuten eingeführten freien Enden der Befestigungsarme in ihrer Position durch Klemmung zu sichern.
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Bevor die Erfindung näher erläutert wird, werden zunächst einige in diesem Zusammenhang verwendete Begriffe erläutert:
Ein erstes Element ist im Sinne der Erfindung an ein zweites Element angeformt, wenn es integral und unlösbar mit diesem verbunden ist. Dazu können die beiden Elemente bspw. stoffschlüssig miteinander verbunden, bspw. also miteinander verklebt sein. Insbesondere können die beiden Elemente auch einstückig ausgebildet sein.
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Die größte Breite einer Nut ist dann abseits der Nutöffnung, wenn auf einer beliebigen Höhe zwischen Nutgrund und Nutöffnung die Breite der Nut größer ist als die Breite an der Nutöffnung. Beispiele für entsprechend ausgestaltete Nuten sind Schwalbenschwanznuten oder T-Profil-Nuten.
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Die Stützrippen weisen eine senkrecht zur Einschieberichtung formschlussgewährleistende Form auf, wenn sich die Stützrippen nicht oder nur unter, die Belastungen im Normalzustand um ein vielfaches übersteigende Kraftaufwendungen senkrecht zur Einschieberichtung aus der Nut entfernen lassen.
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Der erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmesser ermöglicht eine einfache Montage eines Umlenkspiegels in dem Gehäuse des Durchflussmessers. Die Befestigungsarme des Umlenkspiegels müssen hierzu lediglich in die zu dem Leistungsanschluss offenen Nuten eingeführt und bis zum entgegengesetzten Ende der Nut hineingeschoben werden. Anschließend wird das Sicherungselement mit seinen Stützrippen in diese Nuten eingeführt, wodurch die Befestigungsarme des Umlenkspiegels in der jeweils letztendlich gewünschten Position, die entsprechend der gewünschten Einbauposition des Umlenkspiegels gewählt ist, festgeklemmt werden. Die Montage des Sicherungselements wird dadurch vereinfacht, dass sämtliche Stützrippen an einem gemeinsamen Ansatzelement angeordnet sind und somit auf einfache Weise gleichzeitig montiert werden können. Insbesondere können die Stützrippen an dem Ansatzelement angeformt sein.
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Die Nuten sind bevorzugt als Schwalbenschwanznuten oder T-Nuten ausgeführt.
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Das Ansatzelement kann bevorzugt rohrzylinderförmig ausgebildet sein, wobei die Stützrippen sich dann vorzugsweise parallel zur Achse des Ansatzelementes erstrecken. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen des Ansatzelementes möglich.
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Das Gehäuse weist vorzugsweise einen an die Form des Ansatzelementes angepassten Sitz auf. Das Ansatzelement kann kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig in dem Sitz gesichert werden, wodurch das gesamte Sicherungselement im Gehäuse gesichert wird. Für eine formschlüssige Sicherung können am Ansatzelement Rastelemente angeordnet sein, die in entsprechende Ausnehmungen im Gehäuse eingreifen. Ein Stoffschluss kann durch die Verwendung eines Klebstoffs, vorzugsweise an vordefinierten Klebepunkten, erreicht werden.
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Am Ansatzelement kann ein Dichtungselement zur Abdichtung des Leitungsanschlusses und einer daran angeschlossenen Leitung angeformt sein. Die Dichtung ist dann verliersicher mit dem Ansatzelement und somit letztendlich mit dem Ultraschalldurchflussmesser verbunden. Auf ein separates Dichtungselement kann verzichtet werden, wodurch die Montage vereinfacht wird. Das Dichtungselement kann bspw. den Rand der Öffnung des Leitungsanschlusses zur Durchleitung des Fluids in radialer Richtung überlappen.
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An dem Ansatzelement können weiterhin Strömungsführungsflächen angeformt sein, mit denen die Durchströmung des Ultraschalldurchflussmessers und insbesondere der Messstrecke für die Messung optimiert wird. Insbesondere kann an dem Ansatzelement eine Spiegelschutznase angeformt sein, welche von Haltearmen gehalten den Umlenkspiegel in Strömungsrichtung vollständig abdeckt und vorzugsweise kegel- oder kuppelförmig ausgebildet ist. Durch die Spiegelschutznase kann verhindert werden, dass das strömende Fluid unmittelbar auf den Umlenkspiegel auftritt, und dort zu Vibrationen führt. Auch kann durch geeignete Ausgestaltung des Umlenkspiegels der Druckverlust im Ultraschalldurchflussmesser reduziert werden. Die Haltearme können vorzugsweise zum Abdecken der Befestigungsarme in Strömungsrichtung ausgebildet sein. Dadurch lässt sich eine ggf. Vibrationen im Umlenkspiegel verursachende Umströmung der Befestigungsarme verringern.
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An dem Ansatzelement kann auch ein gitterartiges Sieb angeformt sein. Mit einem solchen Sieb ist es möglich, größere Schwebeteilchen im Fluid von der Messstrecke fern zu halten, um eine Verfälschung der Messergebnisse und/oder eine Beschädigung der im Fluidstrom angeordneten Umlenkspiegel zu vermeiden. Indem das Sieb an das Ansatzelement angeformt ist, kann auf ein Vorsehen eines separaten Siebbauteils verzichtet werden, was die Montage vereinfacht.
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Es ist bevorzugt, wenn der Umlenkspiegel drei Befestigungsarme aufweist. Der Umlenkspiegel sowie die Befestigungsarme befinden sich im Strömungskanal für das zu messende Fluid. Durch die vorgenannte Anzahl an Befestigungsarmen kann eine ausreichende Positionsgenauigkeit des Umlenkspiegels auch bei Umströmung desselben mit fluidem Medium gewährleistet werden, ohne dass ein unnötig hoher Strömungswiderstand erzeugt wird. Die Befestigungsarme sind vorzugsweise einstückig mit dem Umlenkspiegel ausgebildet.
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Der Umlenkspiegel ist bevorzugt aus einem korrosionsbeständigem Material, wie z. B. Messing, Bronze oder Edelstahl, gefertigt. Er kann auch pulverbeschichtet oder mit einem keramischen Material beschichtet sein, um reflexionsstörende Ablagerungen zu reduzieren. Die Keramikbeschichtung kann aus oxydkeramischem Material, wie bspw. Aluminiumoxid, Chromoyxd oder zirkonoxyd bzw. einer Mischung aus wenigstens zwei der genannten Materialien sein.
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Das Gehäuse kann – bspw. um Stabilität und Beständigkeit im Bereich der Leitungsanschlüsse zu gewährleisten – aus vergleichsweise hartem Material, wie bspw. glasfaserverstärktem Kunststoff, gefertigt sein. Da entsprechende Materialen in der Regel keine schallabsorbierende Eigenschaften aufweisen und somit die Laufzeitdifferenzmessung ungünstig beeinflussen können, ist es bevorzugt, wenn die Messstrecke zumindest teilweise durch ein in dem Gehäuse angeordnetes Messrohr gebildet wird, wobei das Messrohr vorzugsweise aus schallabsorbierenden Material gebildet wird. Bevorzugt ist das Messrohr aus Polysulfon.
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Das Sicherungselement ist vorzugsweise aus einem Elastomer gebildet, bspw. aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) mit einer Shore-Härte von vorzugsweise 70 bis 90.
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Es ist bevorzugt, wenn der Ultraschalldurchflussmesser zwei Umlenkspiegel aufweist, wobei jeder Umlenkspiegel durch ein von je einem Leistungsanschluss ausgehend eingeschobenen Sicherungselement gehalten wird.
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Die Erfindung wird nun anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1: einen schematischen Teillängsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessers;
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2: einen schematischen Querschnitt des Ultraschalldurchflussmessers aus 1 entlang Schnittlinie II-II;
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3: Detaildarstellungen des Umlenkspiegels des Ultraschalldurchflussmessers gemäß 1 und 2;
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4: einen schematischen Teillängsschnitt einer Ausführungsvariante zum Ultraschalldurchflussmesser gemäß 1 bis 3;
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5: einen schematischen Teillängsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessers; und
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6a, b: schematische Querschnitte des Ultraschalldurchflussmesser aus 5;
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessers 1 einem schematischen Teilschnitt dargestellt. Der Teilschnitt zeigt dabei den Ultraschalldurchflussmesser 1 im Bereich eines ersten Leitungsanschlusses 2. Der Ultraschalldurchflussmesser 1 ist entlang der Längsachse 3 in den hier relevanten Komponenten spiegelsymmetrisch aufgebaut, d. h. der zweite, nicht dargestellte Leitungsanschluss liegt ebenfalls auf der Längsachse 3, sodass sich innerhalb des – in diesem Ausführungsbeispiel mehrteiligen – Gehäuses 4 ein Strömungskanal 5 zwischen den beiden Leitungsanschlüssen 2 bildet. Ein Teil des Strömungskanals 5 ist als rohrförmige Messstrecke 6 durch ein Messrohr 7 ausgebildet.
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Des Weiteren ist ein Ultraschallwandler 8 mit einem dazugehörigen Umlenkspiegel 9 vorgesehen, der drei einstückig ausgebildete Befestigungsarme 10 aufweist, die zumindest quer zur Strömungsrichtung eine Breite von ca. 1 mm aufweisen (vgl. 3). Der Umlenkspiegel 9 ist in der dargestellten Einbauposition derart angeordnet, dass die von dem Ultraschallwandler 8 ausgesendeten Ultraschallwellen in die Messstrecke 6 umgelenkt werden. An einer entsprechenden Anordnung an dem zweiten Leitungsanschluss werden die Ultraschallwellen von der Messtrecke 6 von einem Umlenkspiegel 9 auf einen weiteren Ultraschallwandler 8 umgelenkt. Eine nur angedeutete Auswerteelektronik 11 kann aus der ermittelten Laufzeit der Ultraschallwellen zwischen den beiden Ultraschallwandlern 8 die Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids durch die Messstrecke 6 und anhand des Innendurchmessers des Messrohrs 7 die Durchflussmenge berechnen.
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Das Gehäuse 4 weist eine der Anzahl der Befestigungsarme 10 des Umlenkspiegels 9 entsprechende Anzahl – also drei – schwalbenschwanzförmige Nuten 12 auf, in welche die Befestigungsarme 10 des Umlenkspiegels 9 eingeführt werden können. Die Nuten 12 erstrecken sich dabei von dem Leitungsanschluss 2 bis zu der Position, in der der darin eingeführte Befestigungsarm 10 in Einbauposition des Umlenkspiegels 9 zu liegen kommt, und sind zum Leitungsanschluss 2 hin offen.
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Zur Sicherung der Befestigungsarme 10 des Umlenkspiegels 9 ist ein Sicherungselement 20 vorgesehen. Das Sicherungselement 20 umfasst ein rohrzylinderförmiges Ansatzelement 21 mit einer der Anzahl der Nuten 12 bzw. der Anzahl der Befestigungsarme 10 entsprechenden Anzahl an Stützrippen 22. Die Stützrippen 22 sind zum Einführen in die Nuten 12 und zum Festklemmen der Befestigungsarme 10 in den Nuten 12 ausgebildet. Die Stützrippen 22 sind dabei derart geformt, dass sie von dem Leitungsanschluss 2 her in die Nuten 12 eingeschoben werden können, in Richtung senkrecht dazu aber formschlüssig in den Nuten 12 gesichert sind.
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Das Ansatzelement 21 wiederum ist in einem Sitz im Gehäuse 4 gesichert, indem an dem Ansatzelement 21 angeordnete Rastelemente 23 in entsprechende Ausnehmungen 13 im Gehäuse 4 eingreifen.
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An dem Ansatzelement 21 ist weiterhin ein Dichtungselement 24 zur Abdichtung des Leitungsanschlusses 2 gegenüber einer daran angeschlossenen Leitung (nicht dargestellt) vorgesehen. Das Dichtungselement 24 ist aufgrund seiner unlösbaren Verbindung mit dem Ansatzelement 21 verliersicher am Gehäuse befestigt und überlappt den Rand der Öffnung des Leitungsanschlusses 2 zur Durchleitung des Fluids in radialer Richtung.
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Auch sind Strömungsführungsflächen 25 am Ansatzelement 21 angeformt, die zusammen ein gitterartiges Sieb 26 bilden. Auf der Innenseite des Gehäuses 4 sind im Bereich zwischen Ansatzelement 21 und Messrohr 7 Stabilisierungsrippen 14 angeordnet. Durch die vorstehenden Maßnahmen können das Messergebnis ggf. beeinflussende Strömungsturbulenzen im Fluid reduziert werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 4 aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Das Messrohr 7 ist aus einem schallabsorbierenden Kunststoff gefertigt. Der Umlenkspiegel 9 ist aus V4A-Edelstahl, das Sicherungselement aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) mit einer Shore-Härte von 80.
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In 4 ist eine Ausführungsvariante zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 dargestellt. Da die Ausführungsvariante gemäß 4 derjenigen aus 1 bis 3 in weiten Teilen gleicht, wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede der Ausführungsvariante eingegangen.
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In der Ausführungsvariante gemäß 4 ist das Gehäuse 4 einstückig aufgebaut, wodurch sich auch eine abweichende Befestigung des Messrohrs 7 in dem Gehäuse 4 ergibt. Darüber hinaus ist das Sicherungselement 20 nicht durch Formschluss in dem Gehäuse 4 gesichert, sondern vielmehr über Stoffschluss. Dazu ist das Ansatzelement 21 im Gehäuse 4 in der dargestellten Position verklebt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 5 und 6 gleicht den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 in weiten Teilen. Im Folgenden wird daher lediglich auf die Unterschiede des Ausführungsbeispiels gemäß 5 und 6 gegenüber denjenigen aus 1 bis 4 eingegangen, während im Übrigen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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Das Ansatzelement 21 ist mit daran angeordneten Rastelementen 23, die in entsprechende Ausnehmungen 13 eingreifen, im Gehäuse 4 gesichert und weist neben drei Stützrippen 22 ein angeformtes Dichtungselement 24 auf.
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An dem Ansatzelement 21 ist weiterhin eine kuppelförmige Spiegelschutznase 27 angeformt, die von an den Stützrippen 22 angeformten Haltearmen 28 gehalten wird und den Umlenkspiegel 9 in Strömungsrichtung vollständig abdeckt. Durch die Spiegelschutznase 27 kann Druckverlust im Ultraschalldurchflussmesser 1 reduziert und durch die Fluidumströmung hervorgerufene Vibrationen des Umlenkspiegels 9 reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2317288 A1 [0003, 0004]
- EP 2693171 A1 [0003, 0004]