DE10062874A1 - Durchflussmesser - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien mit einer zumindest durchströmten Meßkammer, mindestens einem Einlaß- und mindestens einem Auslaßkanal sowie mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Aussenden und/oder zum Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Strömung in der Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen, wobei eine Sende-Empfangseinheit vorgesehen ist, die eine erste und eine zweite aktive Seite aufweist, wobei sowohl die erste als auch die zweite aktive Seite dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen dient.
Description
Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien
mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Bei Durchflußmeßgeräten zur Ultraschallmessung stellen die kostenintensivsten
Bauteile neben der Elektronik die Ultraschall-Sende-/Empfangsanordnungen sowie
die Temperaturfühler dar. Gleichzeitig besteht die Notwendigkeit, diese
Meßanordnungen möglichst klein aufzubauen, um einen kompakten
Ultraschallzähler zu erhalten. Da sich die Ultraschallgeschwindigkeit in
Abhängigkeit der Fluideigenschaften Dichte und Kompressibilität und damit auch
mit der Temperatur ändert, ist eine Differenzmessung vorteilhaft. Hierbei wird
gleichzeitig die Laufzeit in Strömungsrichtung und die Laufzeit entgegen der
Strömungsrichtung bestimmt, wobei aus der Bestimmung der gemessenen Laufzeiten
eine gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden kann.
Aus DE 196 05 164 C2 ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige oder
gasförmige Medien bekannt, in dessen Meßkammer Ultraschall-Wandler zum
Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen vorgesehen sind, die die
Meßkammer mit und entgegen der Strömungsrichtung durchsetzen. Diese
Ultraschall-Wandler sind dabei um 180° versetzt im Meßkanal angeordnet und
erfordern demnach einen entsprechend angepaßten Aufbau der Meßkammer bzw. des
Meßkanals. Um die Meßsignale der Ultraschall-Wandler an die elektronische
Auswerteeinrichtung zu leiten, ist außerdem eine entsprechende Verbindung der
jeweiligen zueinander versetzten Ultraschall-Wandler zur Auswerteeinrichtung
erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser mit den
Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß ein
kompakter Aufbau ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen des Durchflußmessers ergeben sich aus den Unteransprüchen
2-31.
Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser ist eine Sende-Empfangseinheit
vorgesehen, die eine erste und eine zweite aktive Seite aufweist, wobei sowohl die
erste als auch die zweite aktive Seite dem Senden und/oder Empfangen von
Ultraschallsignalen dient. Die aktiven Seiten können dabei jeweils aus einem
Ultraschallwandler bestehen. Durch die Integration der ersten sowie der zweiten
aktiven Seite in eine Empfangseinheit halbieren sich alle Kontaktierungs- und
Anschlußkosten, die für eine getrennte Sende- und Empfangsanordnung anfallen
würden. An dem Gehäuse braucht außerdem nur noch ein abzudichtender
Durchbruch angebracht sein, um die Sende-Empfangseinheit nach außen zu einer
Auswerteelektronik zu führen. Der gesamte Durchflußmesser kann durch die Sende-
Empfangseinheit äußerst kompakt ausgeführt werden. Auch der Einbau der
Ultraschallwandler kann durch die Integration in der Sende-Empfangseinheit
schneller und damit kostengünstiger erfolgen.
Die von den aktiven Seiten ausgesendeten Ultraschallsignale weisen unterschiedliche
Schallausbreitungsrichtungen auf, wobei die Ultraschallsignale auf der jeweils
gegenüberliegenden aktiven Seite auftreffen. Damit kann z. B. die Laufzeit in
Strömungsrichtung und die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung bestimmt
werden und daraus kann die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden.
Zweckmäßigerweise können die Ultraschallsignale eine entgegengesetzte
Schallausbreitungsrichtung aufweisen. Die entgegengesetzten
Schallausbreitungsrichtungen von den Ultraschallwandlern können dabei auf einer
gemeinsamen geometrischen Achse liegen. Diese Anordnung gewährleistet zum
einen den gleichen Weg der entgegengesetzten Ultraschallsignale und ermöglicht
zum anderen einen einfachen Aufbau der Sende-Empfangseinheit. Die Schallführung
kann dabei über Reflektoren erfolgen.
Mit besonderem Vorteil kann die Sende-Empfangseinheit auf einen Träger integriert
sein. Auf diesem Träger können die elektrischen Leitungen angeordnet und dort mit
den Ultraschallwandlern oder anderen aktiven Komponenten in Verbindung stehen.
Nach außen können die elektrischen Leitungen sowohl an die elektronische
Auswerte- bzw. Sendeeinrichtung angeschlossen sein. Der Träger kann auch direkt
mit einer Leiterplatte in Verbindung stehen bzw. auf eine Leiterplatte geführt sein,
auf welcher sowohl die Auswerteelektronik als auch die Ultraschallerzeugung
angeordnet sein kann. Zweckmäßigerweise kann beidseitig des Trägers eine aktive
Seite vorgesehen sein.
Sowohl die erste als auch die zweite aktive Seite können jeweils aus einem
Ultraschallwandler bestehen, der jeweils als Ultraschallsender als auch als
Ultraschallempfänger fungiert. Als Ultraschallwandler können insbesondere
piezoelektrische Bauteile vorgesehen sein. Der Schall wird mittels dieser
Konstruktion in zwei unterschiedliche Richtungen, ausgehend von dem jeweiligen
Ultraschallwandler, durch die Meßstrecke geleitet und von dem jeweils
gegenüberliegenden Ultraschallwandler empfangen und in elektrische Signale
umgewandelt.
Die Ultraschallwandler bzw. die piezoelektrischen Bauteile können beidseitig des
Trägers angeordnet sein, so daß der Träger in der Meßkammer nur noch zentriert
angeordnet werden muß, damit die in die entgegengesetzten Richtungen
ausgesendeten Ultraschallsignale den gleichen Weg zurücklegen.
Ein alternativer Aufbau einer Sende-Empfangseinheit umfaßt einen mittig
angeordneten Ultraschallwandler, insbesondere ein mittig angeordnetes
piezoelektrisches Bauteil zum Aussenden der Ultraschallsignale, an dessen
gegenüberliegenden Seiten Drucksensoren zum Empfang der die Strömung
durchsetzten Ultraschallsignale angeordnet sind. Für die Messung wird das
piezoelektrische Bauteil mit einem Burst angeregt, welcher gleichzeitig ein
Schallsignal in entgegengesetzte Richtungen und damit mit und gegen die
Strömungsrichtung sendet. Über die Drucksensoren können nun die
entgegengesetzten Schallsignale empfangen werden.
Als piezoelektrische Bauteile können vorteilhafterweise piezokeramische Bauteile
vorgesehen sein, welche sich durch ihre Formstabilität, Langzeit- und
Temperaturbeständigkeit sowie gleichbleibenden piezoelektrischen Eigenschaften
auszeichnen. Die piezoelektrischen Bauteile können scheibenförmig ausgebildet sein
und stellen somit platzsparende Bauteile dar, die bei der zweiten
Ausführungsvariante ausreichend Platz für die darauf angeordneten Drucksensoren
bieten.
Als piezoelektrische Bauteile können demnach insbesondere piezokeramische
Scheiben vorgesehen sein, die die oben geschilderten Vorteile von Form und
Werkstoff kombinieren.
Beidseitig der jeweiligen piezoelektrischen Bauteile können zur Erzeugung des
elektrischen Feldes Elektroden angeordnet sein. Insbesondere in der ersten
Ausführungsvariante mit den zwei Ultraschallwandlern kann das jeweilige
piezoelektrische Bauteil mindestens eine Elektrode aufweisen, welche um den Rand
der Scheibe geführt ist und den Träger auf einer Seite der Scheibe kontaktiert. Die
jeweilige Elektrode steht mit den auf dem Träger geführten elektrischen Leitungen in
Verbindung. Die Kontaktierung kann gelötet, mit leitfähigem Kleber verklebt oder
mittels eines Leitgummis hergestellt werden. Die andere Seite der Elektrode ist dem
zu messenden Medium zugewandt, so daß sich zwischen den beiden Seiten der
Elektrode am piezoelektrischen bzw. eletrostriktiven Bauteil ein elektrisches Feld
ausbildet, das zu einer der Stärke des elektrischen Feldes proportionalen
mechanischen Schwingung führt.
Um bei der zweiten Ausführungsvariante mit nur einem mittig angeordneten
piezoelektrischen Bauteil eine Schall-Spannungswandlung zu unterbinden, werden
beim Empfangen die Elektroden kurz geschlossen.
Der Träger kann insbesondere bei der ersten Ausführungsvariante im Bereich der
Sende-Empfangseinheiten ultraschalldämpfend ausgestaltet sein, um eine rückseitige
Übertragung der von dem Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallsignale zu
unterbinden, so daß nur die das Medium durchsetzten Ultraschallsignale den
gegenüberliegenden Ultraschallwandler erreichen können.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, einen Temperaturfühler
auf bzw. in den Träger zu integrieren. Auf diese Weise ist für den Einsatz des
Temperaturfühlers keine weitere, abzudichtende Bohrung erforderlich.
Der Temperaturfühler kann unter der Sende-Empfangseinheit bzw. am unteren Ende
des Trägers angeordnet sein und behindert dadurch nicht die Ultraschall-Messung.
Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung bei Wärmezählern, da der integrierte
Temperaturfühler für die Wärmemengenmessung genutzt werden kann. Mit
besonderem Vorteil kann der Temperaturfühler als Platinwiderstandsfühler
ausgebildet sein. Zur Aufnahme des Temperaturfühlers kann der Träger stabartig
ausgebildet sein. Damit der Temperaturfühler an der optimalen Meßstelle im
Medium liegt, kann der Träger über den Rand der Keramik verlängert und
stabförmig weitergeführt sein. Zur Reduzierung des thermischen Widerstandes kann
am Temperaturfühler eine Wärmeleitpaste angebracht sein.
Der Träger kann im Bereich der Sende-Empfangseinheit Öffnungen bzw.
Durchbrüche zur Ultraschalldämpfung aufweisen, um eine rückwärts gerichtete
Schallwelle beim Empfang zu verhindern. Dies ist dann der Fall, wenn die Reststege
kleiner als λ/4 der Schallwelle sind. Die Ausgestaltung der Öffnungen muß dabei so
erfolgen, daß die Druckaufnahme beim Empfang noch ausreichend gewährleistet ist.
Der Träger mit Sende-Empfangseinheit und dem Temperaturfühler kann von einer
Hülse umschlossen sein, so daß eine handhabbare Einheit geschaffen wird, die nach
außen sicher abgedichtet ist. Die Hülse ist dabei der Trägergeometrie entsprechend
angepaßt und unterstützt somit die Kompaktheit der Meßanordnungen sowie des
gesamten Durchflußmessers. Die Hülse kann entweder ein Kunststoffspritzgußteil
oder ein metallisches Tiefziehteil sein.
Auf der Meßkammer kann eine Abdeckplatte vorgesehen sein, durch die die Hülse in
die Meßkammer eingeführt ist. Wie oben bereits ausgeführt, muß durch die
Integration der Ultraschallwandler sowie des Temperaturfühlers an den Träger bzw.
an die Hülse nur noch eine abzudichtende Bohrung an der Abdeckplatte angebracht
werden.
Um den Schall im wesentlichen ringförmig durch die Meßkammer zu leiten sowie
das Medium in bzw. gegen die Strömungsrichtung zu durchsetzen, eignet sich im
besonderen die Wirbelmeßkammer. Die Einlaßkanäle können dabei randseitig
angeordnet sein, wobei ein Auslaßkanal mittig angeordnet ist, so daß eine rotierend
umlaufende Bewegung des zu messenden Mediums stattfindet. Bei dieser
Anordnung kann der Temperaturfühler im Auslaßkanal mittig angeordnet sein, wird
damit nicht vom Ultraschall-Signal durchsetzt und vom zu messenden Medium
gleichmäßig umströmt.
Alternativ zur Wirbelmeßkammer kann auch eine gerade Meßstrecke vorgesehen
sein. Eine derartige Meßkammer kann zweckmäßigerweise in einen für die Strömung
abgeschlossenen Bereich sowie einen durchströmten Bereich eingeteilt sein, wobei
die Sende-Empfangseinheit im für die Strömung abgeschlossenen Bereich
angeordnet ist. Das Ultraschallsignal wird bei dieser Konstruktion in vertikaler sowie
horizontaler Richtung durch die Meßkammer geleitet. Die Abtrennung der
Meßkammer in einen für die Strömung abgeschlossenen sowie einen durchströmten
Bereich ist notwendig, damit das jeweils in einer Richtung laufende Ultraschallsignal
die Strömung nur in einer Richtung, d. h. in oder gegen die Strömungsrichtung,
durchsetzt.
Als weitere Ausführungsvariante kann es vorgesehen sein, daß die beiden
Ultraschallwandler um 90° versetzt zueinander auf dem Träger angeordnet sind.
Diese Variante kann sowohl bei der Wirbelmeßkammer als auch bei einer geraden
Meßstrecke vorgesehen sein. Der Träger ist dabei vorteilhafterweise außerhalb der
Meßkammer angeordnet und ist demnach nicht dem strömenden oder stehendem
Medium ausgesetzt. Die Ultraschallsignale durchsetzen den Träger in diesem Fall im
90°-Winkel.
Der für die Strömung abgeschlossene Bereich kann entweder aus einem
schalleitenden Körper oder aus dem stehenden flüssigen oder gasförmigen Medium
bestehen, wobei im letzteren Fall die Abtrennung zum durchströmten Bereich
zumindest teilweise mittels einer für den Ultraschall durchgängigen Membran
erfolgen kann. Die Abtrennung kann auch zusätzlich in den vom Ultraschallsignal
nicht durchsetzten Bereichen durch eine starre Konstruktion erfolgen.
In der jeweiligen Ausführungsform kann der Temperaturfühler außerhalb des
intensiven Ultraschallstrahls angeordnet sein, so daß seine Meßwerte nicht durch den
Ultraschall verfälscht werden und andererseits der Ultraschall durch den in das
Medium hineinragenden Temperaturfühler nicht gebremst oder abgelenkt wird.
Zur Leitung der Ultraschallsignale ohne wesentliche Druckverluste kann mindestens
ein Reflektor an der Meßkammerwand vorgesehen sein, der die Ultraschallsignale in
und/oder gegen die Richtung der Strömung durch die Meßkammer leitet.
Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen in den
Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Wirbelmeßkammer;
Fig. 2 eine Ansicht der Wirbelmeßkammer gemäß Fig. 1 in Blickrichtung
II-II;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Meßkammer mit im wesentlichen laminarer
Strömung;
Fig. 4a einen Schnitt durch eine Sende-Empfangseinheit;
Fig. 4b die Sende-/Empfangseinheit gemäß Fig. 4a in Blickrichtung IV-IV;
Fig. 5a einen Schnitt durch eine Sende-Empfangseinheit mit einem
Temperaturfühler;
Fig. 5b die Sende-Empfangseinheit gemäß Fig. 5a in Blickrichtung V-V;
Fig. 6 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Sende-
Empfangseinheit;
Fig. 7 eine Vorderansicht eines Trägers sowie
Fig. 8 einen Schnitt durch eine weitere alternative Ausführungsform einer
Sende-Empfangseinheit.
Bezugsziffer 1 bezeichnet den Durchflußmesser in seiner Gesamtheit. Der
Durchflußmesser 1 dient der Mengenmessung des hindurchströmenden, flüssigen
oder gasförmigen Mediums. Gemäß Fig. 1 besteht der Durchflußmesser aus einer
Meßkammer 2, durch das zu messende Medium strömt, sowie mehreren
Einlaßkanälen 3. Wie aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 hervorgeht, ist ein
Auslaßkanal 4 mittig im unteren Bereich der Meßkammer 2 angeordnet. In der
Meßkammer 2 befinden sich außerdem Ultraschallwandler zum Aussenden bzw.
Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Strömung in der Meßkammer 2
durchsetzen. Erfindungsgemäß ist eine Sende-Empfangseinheit 5 vorgesehen, die
eine erste 8 und eine zweite aktive Seite 9 aufweist, wobei sowohl die erste 8 als
auch die zweite aktive Seite 9 dem Senden und/oder Empfangen von
Ultraschallsignalen 6 dient (siehe Fig. 4a, 5a, 6 sowie 8). Eine Auswerte- und
Sendeeinrichtung für die Meßsignale der Sende-Empfangseinheit 5 ist in den
Zeichnungsfiguren nur nicht dargestellt, ist jedoch üblicherweise außerhalb der
Meßkammer 2 angeordnet. Die Integration von zwei aktiven Seiten 8, 9 in der
Sende-Empfangseinheit 5, wobei die aktiven Seiten 8, 9 sowohl dem Senden als auch
Empfangen von Ultraschallsignalen 6 dienen, ermöglicht einen kompakten Aufbau
des Durchflußmessers 1 als auch eine Reduzierung der Kontaktierungs- und
Anschlußkosten für die Sende-Empfangseinheit 5.
Die von der jeweiligen aktiven Seite (8, 9) ausgesendeten Ultraschallsignale 6
weisen unterschiedliche Schallausbreitungsrichtungen auf, wobei die
Ultraschallsignale 6 auf der jeweils gegenüberliegenden aktiven Seite 9, 8 auftreffen.
Die Schallausbreitungsrichtungen können in und gegen die Strömungsrichtung des
Mediums gerichtet sein. Durch die Bestimmung der Laufzeit der in unterschiedlichen
Richtzungen laufenden Ultraschallsignale kann die gemittelte
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums errechnet werden. Die entgegensetzten
Schallausbreitungsrichtungen liegen dabei auf einer gemeinsamen geometrischen
Achse. Dadurch ist sichergestellt, daß die entgegengesetzt laufenden
Ultraschallsignale 6 den identischen Weg zurücklegen.
Wie insbesondere aus den Fig. 4-6 und 8 hervorgeht, ist die Sende-
Empfangseinheit 5 auf einen Träger 10 integriert bzw. an dem Träger 10 angeordnet.
Beidseitig des Trägers 10 ist jeweils eine aktive Seite 8, 9 versehen. Auf dem Träger
10 sind außerdem die elektrischen Leitungen 30 geführt, die zur Erzeugung der
Ultraschallwellen erforderlich sind sowie die empfangenen Meßsignale an die
Auswerte- und Sendeeinrichtung weiterleiten. Der Träger 10 kann durch die
integrierte Sende-Empfangseinheit 5 auch direkt mit einer Leiterplatte verbunden
sein, die die erforderlichen elektrischen bzw. elektronischen Bauteile zur Erzeugung
des elektrischen Feldes bzw. zur Auswertung der empfangenen Meßsignale aufweist.
In einer ersten Ausführungsvariante gemäß den Fig. 4 und 5 bestehen sowohl die
erste aktive Seite 8 als auch die zweite aktive Seite 9 jeweils aus einem
piezoelektrischen Bauteil, welche beidseitig des Trägers 10 angeordnet sind. Die
piezoelektrischen Bauteile stellen dabei piezokeramische Scheiben 11, 12 dar,
welche sowohl als Sender als auch bei Umkehrung des piezoelektrischen Effektes als
Empfänger genutzt werden. Die Scheibenform der Ultraschallwandler hat sich als
besonders zweckmäßig erwiesen und ist besonders platzsparend.
Die jeweilige piezokeramische Scheibe 11, 12 weist eine Elektrode auf, welche um
den Rand der jeweiligen Scheibe 11, 12 geführt ist und den Träger 10 auf einer Seite
der Scheibe 11, 12 kontaktiert. Die jeweilige Elektrode ist jedoch in den
Zeichnungsfiguren 4 und 5 nicht näher dargestellt.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 6 umfaßt die Sende-
Empfangseinheit 5 eine mittig angeordnete piezokeramische Scheibe 12, an deren
gegenüberliegenden Seiten Drucksensoren 15, 16 angeordnet sind. Bei dieser
Konstruktion wird nur noch die piezokeramische Scheibe 14 für die Schallemission
benötigt. Für die Messung wird die piezokeramische Scheibe 14 mit einem Burst
angeregt und sendet nun durch die Drucksensoren hindurch gleichzeitig das
Ultraschallsignal 6 mit und gegen die Strömungsrichtung des Mediums. Über die
Drucksensoren 15, 16 wird gleichzeitig die Laufzeit der gegenläufigen
Ultraschallsignale 6 ermittelt.
Zur Anregung der piezokeramischen Scheibe 14 sind auch in diesem Fall beidseitig
Elektroden 13, 13' angeordnet, die auf dem Träger 10 mit den elektrischen Leitungen
30 kontaktiert sind. Die Elektroden 13, 13' werden im Empfangsfall kurz
geschlossen, um ein Übersprechen zu verhindern.
Der Träger 10 ist insbesondere im Bereich der Sende-Empfangseinheit 5
ultrschalldämpfend ausgestaltet, damit eine Verfälschung des Meßergebnisses durch
Empfang der Ultraschallsignale 6 von dem Ultraschallwandler, der die
Ultraschallsignale ausgesendet hat, verhindert wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Sende-Empfangseinheit 5 geht
aus den Fig. 5a und 5b hervor, bei welchen der Temperaturfühler 17 in den
Träger 10 integriert ist. Der integrierte Temperaturfühler 17 kann für die
Wärmemengenmessung genutzt werden. Der Temperaturfühler 17 ist dabei unter der
Sende-Empfangseinheit 5 bzw. am unteren Ende 18 am Träger 10 angeordnet, so daß
der Temperaturfühler 17 kein Hindernis für die auf die aktiven Seiten 8, 9
auftreffenden bzw. von den aktiven Seiten 8, 9 abgesendeten Ultraschallsignalen
darstellt. Der Träger 10 ist zur Aufnahme des Temperaturfühlers 17 stabartig
ausgebildet. Zur Reduzierung des thermischen Widerstandes ist am Temperaturfühler
17 eine Wärmeleitpaste angeordnet.
Wie in Fig. 7 dargestellt, weist der Träger 10 im Bereich der Sende-Empfangseinheit
5 Öffnungen 19 auf, um rückwärtsgerichtete Schallwellen zu unterbinden. Die
Ausgestaltung erfolgt dabei derart, daß die Druckaufnahme noch gewährleistet ist.
Eine Hülse 20 umgibt den Träger 10 mit der Sende-Empfangseinheit 5 und den
Temperaturfühler 17 (falls vorhanden). Die Hülse 20 dient demnach als schützende
Umhüllung der Sende-Empfangseinheit 5 und führt zu einer handhabbaren Einheit,
die in das Gehäuse eingesetzt wird. Die Hülse 20 kann als metallisches Tiefziehteil
oder als Spritzgußteil gefertigt sein. Gemäß Fig. 2 ist auf der Meßkammer 2 eine
Abdeckplatte 21 vorgesehen, durch die die Hülse 20 in die Meßkammer 2 eingeführt
ist. Die Hülse 20 dichtet mit der Abdeckplatte 21 sicher ab, so daß ein Entweichen
des zu messenden Mediums verhindert wird.
Gemäß den Fig. 1 und 2 kann die Sende-Empfangseinheit 5 in einer
Wirbelmeßkammer 22 angeordnet sein. Wie aus Fig. 2 hervorgeht ist der
Temperaturfühler 17 im Auslaßkanal 4 mittig angeordnet und wird somit mit von
den Ultraschallsignalen 6 durchsetzt. Außerdem wird der Temperaturfühler 17 in
dieser Lage gleichmäßig von dem zu messenden Medium umströmt, so daß eine
exakte Temperaturerfassung gewährleistet wird.
Die Sende-Empfangseinheit 5 kann jedoch auch gemäß Fig. 3 in einer geraden
Meßkammer 23 angeordnet sein. Um in dieser geraden Ausführungsform der
Meßkammer 2 die Strömung mittels Ultraschall optimal erfassen zu können, ist die
Meßkammer 2 in einem für die Strömung 7 abgeschlossenen Bereich 24 sowie einen
durchströmten Bereich 25 eingeteilt. Die Sende-Empfangseinheit 5 ist im für die
Strömung 7 abgeschlossenen Bereich 24 angeordnet. Durch die Abtrennung in die
beiden Bereiche 24 und 25 wird sichergestellt, daß die Ultraschallsignale 6 die
Strömung 7 jeweils nur in oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung durchsetzten.
Der für die Strömung 7 abgeschlossene Bereich 24 kann aus einem schalleitenden
Körper bestehen, der für den Ultraschall durchgängig ist, jedoch nicht für das zu
messende Medium. In Fig. 3 erfolgt die Abtrennung teilweise mittels einer starren
Abtrennung 26 und teilweise mittels einer für Ultraschall durchgängigen Membran
27, wobei der für die Strömung 7 abgeschlossene Bereich 24 aus dem stehenden
flüssigen oder gasförmigen Medium besteht. Auch mit dieser Anordnung wird
sichergestellt, daß der Ultraschall das strömende Medium nur in einer Fließrichtung
durchsetzt, in diesem Fall den unteren Bereich der geraden Meßkammer 23. Die
Membran 27 ist für das Ultraschallsignal 6 durchgängig, verhindert jedoch eine
Durchströmung des zu messenden Mediums.
Der Temperaturfühler 17 ist zweckmäßigerweise außerhalb des intensiven
Ultraschalls angeordnet (siehe Fig. 2 und 3), so daß zum einen die
Temperaturmessung nicht durch einen durchlaufenden Ultraschall beeinflußt wird
noch der Ultraschall durch den Temperaturfühler 17 abgelenkt wird.
Die Reflektoren 28 an der Meßkammerwand 29 dienen der optimalen Leitung der
Ultraschallsignale 6 durch die Meßkammer 2. Die Reflektoren 28 sind lediglich in
der Wirbelmeßkammer 22 in Fig. 1 eingezeichnet, jedoch können die Reflektoren 28
auch zur Umleitung des Ultraschallsignals 6 in der geraden Meßkammer 23 gemäß
Fig. 3 dienen.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform zeigt eine gerade Meßkammer 23 wie in
Fig. 3, wobei jedoch um 90° zueinander versetzte Ultraschallwandler vorgesehen
sind, die in diesem Fall auch als piezokeramische Scheiben 11, 12 ausgebildet sind.
Der Träger 10, auf dem die piezokeramischen Scheiben 11, 12 auf der dem Medium
abgewandten Seite und damit vorteilhafterweise außerhalb der Meßkammer 2
angeordnet sind, ist dabei entsprechend geometrisch geformt und wird im 90°-
Winkel durchschallt.
Auch diese Anordnung gewährleistet gleich lange Signalpfade der entgegengesetzt
laufenden Ultraschallsignale 6. Die gerade Meßkammer 23 ist auch in dieser
Ausführungsvariante mit einer Abtrennung 26 sowie mit Membranen 27 ausgestattet.
Die um 90° versetzt zueinander angeordneten Ultraschallwandler können auch bei
einer Wirbelmeßkammer 22, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, vorgesehen sein.
1
Durchflußmesser
2
Meßkammer
3
Einlaßkanal
4
Auslaßkanal
5
Sende-/Empfangseinheit
6
Ultraschallsignale
7
Strömung
8
erste aktive Seite
9
zweite aktive Seite
10
Träger
11
piezokeramische Scheibe
12
piezokeramische Scheibe
13
,
13
' Elektrode
14
piezokeramische Scheibe
15
Drucksensor
16
Drucksensor
17
Temperaturfühler
18
Unteres Ende
19
Öffnungen
20
Hülse
21
Abdeckplatte
22
Wirbelmeßkammer
23
gerade Meßkammer
24
abgeschlossener Bereich
25
durchströmter Bereich
26
Abtrennung
27
Membran
28
Reflektor
29
Meßkammerwand
30
elektrische Leitungen
Claims (33)
1. Durchflußmesser (1) für flüssige oder gasförmige Medien mit einer zumindest
teilweise durchströmten Meßkammer (2), mindestens einem Einlaß- (3) und
mindestens einem Auslaßkanal (4) sowie mit mindestens einem
Ultraschallwandler zum Aussenden und/oder zum Empfangen von
Ultraschallsignalen (6), die die Meßkammer (2) mit und entgegen der
Strömungsrichtung durchsetzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Sende-Empfangseinheit (5) vorgesehen ist, die eine erste (8) und eine
zweite aktive Seite (9) aufweist, wobei sowohl die erste (8) als auch die zweite
aktive Seite (9) dem Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen (6)
dient.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die von der jeweiligen aktiven Seite (8 bzw. 9) ausgesendeten
Ultraschallsignale (6) eine unterschiedliche, insbesondere eine
entgegengesetzte Schallausbreitungsrichtung, aufweisen, wobei die
Ultraschallsignale (6) auf der jeweils gegenüberliegenden aktiven Seite
(9 bzw. 8) auftreffen.
3. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die entgegengesetzten Schallausbreitungsrichtungen von den
Ultraschallwandlern auf einer gemeinsamen geometrischen Achse liegen.
4. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalpfade der Ultraschallsignale der ersten (8) sowie zweiten aktiven
Seite (9) gleich lang sind.
5. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sende-Empfangseinheit (5) auf einen Träger (10) integriert ist.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (10) direkt mit einer Leiterplatte verbunden ist.
7. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die erste (8) als auch die zweite aktive Seite (9) jeweils aus einem
Ultraschallwandler, insbesondere einem piezoelektrischen Bauteil bestehen.
8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 4-7,
dadurch gekennzeichnet, daß
beidseitig des Trägers (10) ein piezoelektrisches Bauteil angeordnet ist.
9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sende-Empfangseinheit (5) einen mittig angeordneten Ultraschallwandler,
insbesondere ein mittig angeordnetes piezoelektrisches Bauteil, zum
Aussenden der Ultraschallsignale (6) umfaßt, an dessen gegenüberliegenden
Seiten Drucksensoren (15, 16) zum Empfang der Ultraschallsignale (6)
angeordnet sind.
10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7-9,
dadurch gekennzeichnet, daß
als piezoelektrische Bauteile piezokeramische Bauteile vorgesehen sind.
11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7-10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die piezoelektrischen Bauteile scheibenförmig ausgebildet sind.
12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7-11,
dadurch gekennzeichnet, daß
als piezoelektrische Bauteile piezokeramische Scheiben (11, 12) vorgesehen
sind.
13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 7-12,
dadurch gekennzeichnet, daß
beidseitig der jeweiligen piezoelektrischen Bauteile Elektroden (13, 13')
angeordnet sind.
14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 9-13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden (13, 13') beim Empfang oder beim Senden kurzgeschlossen
sind.
15. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 4-14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (10) im Bereich der Sende-Empfangseinheit (5)
ultraschalldämpfend ausgestaltet ist.
16. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Temperaturfühler (17) in den Träger (10) integriert ist.
17. Durchflußmesser nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler (17) unter der Sende-Empfangseinheit (5) bzw. am
unteren Ende (18) des Trägers (10) angeordnet ist.
18. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler (17) als Platinwiderstandsfühler ausgebildet ist.
19. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 16-18,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (10) zur Aufnahme des Temperaturfühlers (17) stabartig ausgebildet
ist.
20. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 16-19,
dadurch gekennzeichnet, daß
am Temperaturfühler (17) eine Wärmeleitpaste angeordnet ist.
21. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 4-20,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (10) im Bereich der Sende-Empfangseinheit (5) Öffnungen (19)
aufweist.
22. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Hülse (20) vorgesehen ist, die den Träger (10) mit der Sende-
Empfangseinheit (5) und den evtl. vorhandenen Temperaturfühler (17)
umschließt.
23. Durchflußmesser nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse (20) als Tiefziehteil gefertigt ist.
24. Durchflußmesser nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse (20) als Spritzgußteil gefertigt ist.
25. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Meßkammer (2) eine Abdeckplatte (21) vorgesehen ist, durch die die
Hülse (20) in die Meßkammer (2) eingeführt ist.
26. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Meßkammer (2) eine Wirbelmeßkammer (22) vorgesehen ist.
27. Durchflußmesser nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler (17) im Auslaßkanal (4) mittig angeordnet ist.
28. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine gerade Meßstrecke vorgesehen ist.
29. Durchflußmesser nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßkammer (2) in einen für die Strömung (7) abgeschlossenen Bereich
(24) sowie einen durchströmten Bereich (25) eingeteilt ist, wobei die Sende-
Empfangseinheit (5) im für die Strömung (7) abgeschlossenen Bereich (24)
angeordnet ist.
30. Durchflußmesser nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß
der für die Strömung (7) abgeschlossenen Bereich (24) aus einem
schalleitenden Körper besteht.
31. Durchflußmesser nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß
der für die Strömung (7) abgeschlossene Bereich (24) aus einem stehenden
flüssigen oder gasförmigen Medium besteht, wobei die Abtrennung zum
durchströmten Bereich (25) zumindest teilweise mittels einer für den
Ultraschall durchgängigen Membran (27) erfolgt.
32. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler (17) außerhalb des intensiven Ultraschalls angeordnet ist.
33. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Reflektor (28) an der Meßkammerwand (29) vorgesehen ist, der
die Ultraschallsignale (6) in und/oder gegen die Richtung der Strömung (7)
durch die Meßkammer (2) leitet.
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