DE102007062913A1

DE102007062913A1 - Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr

Info

Publication number: DE102007062913A1
Application number: DE200710062913
Authority: DE
Inventors: Andreas Berger; Achim Wiest; Oliver Brumberg; Thomas Dr. Fröhlich; Frank Wandeler
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welches Messrohr eine dem Messmedium abgewandte Fläche und eine dem Messmedium zugewandte Fläche einer Messrohrwand aufweist, welches Messsystem mindestens einen Ultraschallwandler aufweist, welcher Ultraschallwandler mindestens ein Koppelelement und mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, welches Koppelelement mindestens ein Ultraschallsignal auf mindestens einem ersten Signalpfad von einem Schalleintritt in das Koppelelement bis zu einem Schallaustritt aus dem Koppelelement leitet, wobei der Schallaustritt des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad aus dem Koppelelement von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist und der erste Signalpfad eine Länge von mindestens zwei Wellenlängen lambda des Ultraschallsignals aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welcher Ultraschallwandler mindestes ein Koppelelement und mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, welches Koppelelement mindestens ein Ultraschallsignal auf mindestens einem ersten Signalpfad von einem Schalleintritt in das Koppelelement bis zu einem Schallaustritt aus dem Koppelelement leitet.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.
Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in wie auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B-686 255 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.
Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels Bursts, das sind kurze sinusförmige Ultraschallimpulse, ermittelt.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem Piezoelement, auch kurz Piezo genannt, und einem Koppelelement, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Im Piezoelement werden die Ultraschallwellen erzeugt und bei einem Clamp-On-System über das Koppelelement zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Messmedium, Koppelelement und Rohrwandung meist unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Koppelelement ist üblicherweise eine Anpassungsschicht angeordnet. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
In der US4195517 ist ein Ultraschall-Strömungsmesser offenbart, welcher mit zwei am Messrohr angebrachten Ultraschallwandlern die Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums im Messrohr misst. Die Ultraschallwandler weisen dazu Koppelelemente aus Metall auf, welche in direktem Kontakt zum Messmedium stehen, es handelt sich also um ein Inline-System. Da die akustischen Impedanzen von Metall (Aluminium hat ca. 18 MRayl) und Fluiden (üblicherweise ca. 0,5 bis 3 MRayl, wenn von flüssigen Metallen, wie z. B. Quecksilber mit ca. 20 MRayl abgesehen wird) stark unterschiedlich sind, kommt es an der Grenzfläche zu einer Reflektion eines Teils des von einem piezoelektrischen Elements ausgesendeten Ultraschallsignals. Eine weitere Reflektion an einer Grenzschicht lenkt wiederum einen Teil des bereits reflektierten Ultraschallsignals zurück zum Piezo. Da die Reflektionswinkel als näherungsweise bekannt gelten, wird die Länge der Strecke des Ultraschallsignals innerhalb des Koppelelements als bekannt vorausgesetzt. Mit der gemessenen Laufzeit kann die Schallgeschwindigkeit auf der erwähnten Strecke im Koppelelement bestimmt werden.
Zur Vermeidung der Reflektion von störenden Längswellen wird ein Einfallswinkel des Ultraschallsignals in das Messmedium gewählt, bei dem die unerwünschte Reflektion von Längswellen vermieden wird und somit nur Schubwellen im Koppelelement auftreten. Durch diese Beschränkung steht ein Großteil der ursprünglich aufgewandten Schallenergie nicht zur Messung am Piezo zur Verfügung. Der Reflektionsgrad, also wie viel des ursprünglich ausgesandten Signals reflektiert wird, hängt ab von der Materialpaarung an der Grenzfläche, wo die Reflektion stattfindet. Diese Erfindung ist somit auf spezielle Materialpaarungen und somit auf bestimmte Messmedien und Umgebungsbedingungen festgelegt. Weiterhin fließt die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums für die Brechung bzw. den Brechungswinkel eine wesentliche Rolle. Eine starke Abweichung des Durchflusses vom Betriebspunkt des Ultraschall-Strömungsmessers kann zu Messabweichungen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messsystem mit mindestens einem Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr vorzuschlagen, welches eine hohe Messgenauigkeit bei geringem Energieaufwand aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr vorgeschlagen wird, welcher Ultraschallwandler mindestes ein Koppelelement und mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, welches Koppelelement mindestens ein Ultraschallsignal auf mindestens einem ersten Signalpfad von einem Schalleintritt in das Koppelelement bis zu einem Schallaustritt aus dem Koppelelement leitet, wobei der Schallaustritt des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad aus dem Koppelelement von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist und der erste Signalpfad eine Länge von mindestens zwei Wellenlängen λ des Ultraschallsignals aufweist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist darin zu sehen, dass der Schallaustritt des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad aus dem Koppelelement von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist und die Länge des ersten Signalpfads eine Funktion der Wellenlänge λ des Ultraschallsignals ist, wobei der erste Signalpfad eine Länge von einem Vielfachen der Wellenlänge λ des Ultraschallsignals aufweist. Weitere Vorteile der Erfindung sind ein geringer Teile- bzw. Kostenaufwand und eine reduzierte Spektrum an Angaben des Benutzers für die Messung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers handelt es sich um einen Clamp-On-Ultraschallwandler.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers schlägt vor, dass das Ultraschallsignal auf dem ersten Signalpfad mindestens eine Reflektion an einer ersten Grenzschicht des Koppelelements erfährt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers sieht vor, dass das Koppelelement einen schallabsorbierenden Bereich aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement aus einem Kunststoff besteht.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers besteht darin, dass die Grenzschicht integraler Bestandteil des Ultraschallwandlers ist.
Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung weiterhin in einem Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welches Messrohr eine dem Messmedium abgewandte Fläche und eine dem Messmedium zugewandte Fläche einer Messrohrwand aufweist, wobei das Messsystem mindestens einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler umfasst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems besteht darin, dass der Ultraschallwandler auf der dem Messmedium abgewandten Fläche der Messrohrwand anbringbar ist, wobei das Ultraschallsignal auf einem zweiten Signalpfad nach dem Schalleintritt in die Messrohrwand mindestens eine Reflektion an der dem Messmedium zugewandten Fläche der Messrohrwand erfährt und das Ultraschallsignal auf dem zweiten Signalpfad nach dem Schallaustritt aus der Messrohrwand von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist.
Die stärke der Reflektionen sind vom Medium und der Rohrwand unabhängig. Damit können die reflektierten Ultraschallsignale zur Selbstüberwachung des Sensors dienen. Somit ist auch zusätzlich zur Abschätzung der Schallgeschwindigkeit im Koppelelement eine Messung von akustischen und geometrischen Eigenschaften der Rohrwand auf dem Schallpfad möglich. Dadurch erlaubt das erfindungsgemäße Messsystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler eine Kontrolle von Veränderungen der Rohrwand des Messrohrs, wie z. B. Abrasion oder Ablagerungen an der Rohrwand.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist darin zu sehen, dass das Ultraschallsignal auf einem dritten Signalpfad durch das Messmedium in dem Messrohr führt, wobei das Ultraschallsignal auf dem dritten Signalpfad von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist.
Eine ergänzende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist, dass das Messrohr aus einem Kunststoff besteht.
Um den Durchfluss in einem Messrohr aus Kunststoff, welcher üblicherweise eine akustische Impedanz zwischen 2 und 5 MRayl aufweist, mit einem Clamp-On Ultraschallmesssystem bestimmen und/oder überwachen zu können, darf das Koppelelement des Ultraschallwandlers keine wesentlich höhere akustische Impedanz aufweisen. Daher besteht das Koppelelement vorzugsweise aus Kunststoff. Ein weiterer Vorteil von Kunststoffkoppelelementen besteht in der höheren Energieübertragung im Vergleich zu Metall. Es steht somit mehr Signalenergie zur Durchflussbestimmung des Fluids bereit oder umgekehrt ist der Energiebedarf bei gleicher Signalqualität wesentlich verringert, z. B. auch beim Einsatz des Clamp-On Ultraschallwandlers auf Stahl- oder Edelstahlrohren. Ein wesentliches Merkmal zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit mindestens einem Ultraschallwandler, ist der Winkel des Ultraschallsignals im Messmedium zur Messrohrachse. Mit einem Kunststoffkoppelelement sind flache Winkel möglich, was mit einem hohen Messeffekt einhergeht.
Zur Reflektion des Ultraschallsignals kann im Koppelelement eine Grenzschicht eingearbeitet sein. Dies ist z. B. bei einer Durchflussbestimmung mittels Dopplerverfahren vorteilhaft, da der Ultraschallwandler unter sehr steilem Winkel oder näherungsweise senkrecht auf der Rohrachse steht und somit keine Reflektion an der Grenzfläche zum Fluid und/oder zur Rohrwand auftritt. Eine Grenzfläche ist z. B. eine Grenze zwischen zwei Materialen mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen. Der Grad der Reflektion hängt dabei u. a. vom Winkel des Ultraschallsignals zu der Grenzfläche und den Schallgeschwindigkeiten in den beiden Materialen, welche die Grenzfläche bilden, ab.
Falls das Ultraschallsignal auf dem ersten Signalpfad mindestens eine Reflektion an einer Grenzfläche des Koppelelements erfährt, wird es anschließend z. B. von einem piezoelektrischen Element registriert. Dadurch sind die Laufzeit des Signals und damit die Schallgeschwindigkeit im Ultraschallwandler bestimmbar. Mit Hilfe der Schallgeschwindigkeitsbestimmung lässt sich z. B. der Abstand bzw. die Position der Clamp-On Ultraschallwandler automatisiert und/oder hochgenau einstellen.
Der geometrische Aufbau des Koppelelements bedingt die Leitung der Schallwellen, welche vom Piezo reflektiert werden, in einen schallabsorbierenden Bereich des Koppelelements. Somit werden keine störenden Signale auf das Piezo rückreflektiert.
Das erfindungsgemäße Messsystem mit Clamp-On Ultraschallwandlern verfügt weiterhin über einen zweiten Signalpfad, der zur Bestimmung der Dicke der Messrohrwand bzw. zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Messrohrwand bzw. zur Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallsignals in der Messrohrwand genutzt werden kann. Dazu ist der Ultraschallwandler so ausgestaltet, dass das an der dem Messmedium zugewandten Fläche der Messrohrwand reflektierte Ultraschallsignal dem piezoelektrischen Element zuführbar ist. Das Koppelelement kann in diesem Bereich eine weitere Reflektions- bzw. Grenzfläche aufweisen, welche das Ultraschallsignal auf dem zweiten Signalpfad in Richtung des Piezos reflektiert. Dazu müssen die geometrischen Abmessungen des Ultraschallwandlers entsprechend ausgestaltet sein.
Unter zu Hilfenahme der Messung des Ultraschallsignals auf dem zweiten Signalpfad lässt sich bei bekanntem Rohrmaterial die Wandstärke des Messrohrs bestimmen und/oder die Schallgeschwindigkeit in der Rohrwand unter dem Winkel der Durchflussmessung, was zur Steigerung der Messgenauigkeit beitragen kann. Der bei einer Durchflussmessung mittels Ultraschall üblicherweise, d. h. bei einem Winkel des Piezos zur Senkrechten der Rohrwand von weniger als 45°, insbesondere weniger als 43°, vorzugsweise größer als 35°, verwendete Wellen-Mode in einer metallenen Rohrwand, z. B. aus Stahl oder Edelstahl, von Gusseisen mal abgesehen, welches je nach Sorte eine transversale Schallgeschwindigkeit zwischen 2200 und 3200 m/s aufweist, ist der transversale Wellen-Mode, z. B. mit einer Schallgeschwindigkeit c_T von ca. 3100 m/s in einem Stahlrohr. Der longitudinale Wellen-Mode würde nach dem Snell'schen Gesetz eine Totalreflexion mit einer Schallgeschwindigkeit c_L von ca. 5800 m/s eine Totalreflektion erfahren. Vorgegebnen wird dieser Winkel durch das Material des Koppelements und dem Winkel des piezoelektrischen Elements zur Rohroberfläche. Wird beispielsweise ein Werkstoff für das Koppelelement verwendet, mit einer Schallgeschwindigkeit von c = 2450 m/s, folgt für die Berechnung des Einfallwinkels α_Rohr des Ultraschallsignals in das Rohr mit einem vorgegebenem Winkel α_{Koppelelement}:
sin α_{Koppelelement}/c_{Koppelelement} = sin 40°/2450 m/s = sin α_Rohr/c_Rohr; mit c Rohr = 3100 m/s => α_Rohr = 54.4°. Für c_L mit 5800 m/s gibt es somit keinen Winkel unter dem die Wellen in der Rohrwand sich ausbreiten könnten.
Ohne separate Messung war es dem Anwender bisher nicht möglich diesen Wert zu ermitteln. Herkömmliche Messgeräte zur Wandstärkenmessung arbeiten mit longitudinalen Wellen und schallen senkrecht durch die Rohrwand. Somit lässt sich zwar die Schallgeschwindigkeit der longitudinalen Wellen c_L in der Messrohrwand gut bestimmen, die transversale Schallgeschwindigkeit c_T ist aber noch über die Poissonzahl ν verknüpft.
Je nach Werkstoff kann ν so stark variieren, dass kein ausreichend genauer Rückschluss auf die effektive Schallgeschwindigkeit in der Rohrwand bei der Durchflussmessung möglich ist.
Die Reflektions- bzw. Fokussierfläche kann daher so ausgebildet sein, dass der Schall des ersten und zweiten Signalpfads in einer bestimmten Region eines Piezos konzentriert wird, wie bei der Fokussierung in einem Parabolspiegel. Das Piezo auf welches das Ultraschallsignal gelenkt bzw. konzentriert wird, ist beispielsweise unterteilt in mehrere Segmente, z. B. durch eine geeignete Beschichtung. Es könnte auch ein zweites, separates piezoelektrisches Element dafür vorgesehen sein. Somit ist eine Analyse des Ultraschallwandlers, also eine Selbstkontrolle des Ultraschallwandlers, und der Rohrwand, also eine Prozesskontrolle, noch genauer möglich.
Das Ultraschallsignal auf einem dritten Signalpfad durch das Messmedium wird zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses herangezogen. Es kann an der dem Ultraschallwandler gegenüberliegenden Innenseite des Messrohrs reflektiert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit einer Reflektionsfläche in einer Ebene parallel zum piezoelektrischen Element,
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei Reflektionsflächen,
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit zwei piezoelektrischen Elementen,
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zwei Ultraschallwandlern.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 1 dargestellt. Dieser Ultraschallwandler 1 umfasst ein Koppelelement 2 und ein piezoelektrisches Element 3, welches auf dem Koppelelement angeordnet ist. Anpassungsschichten oder Gehäuse sind hier der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Das piezoelektrische Element sendet ein Ultraschallsignal aus. Auf dem ersten Signalpfad 8 trifft dieses Ultraschallsignal auf die erste Grenzschicht 4 und wird von dieser wieder zurück zum Piezo reflektiert. Die Grenzschicht 4 kann also auch als Reflektionsschicht oder Reflektionsfläche bezeichnet werden. Sie ist eine definierte Grenzfläche zwischen zwei Materialen mit bestimmten akustischen Impedanzen. Durch die Wahl der Materialpaarung kann der Reflektionsgrad festgelegt werden. Es ist also bekannt, welcher Anteil der ursprünglich ausgesandten Signalenergie reflektiert wird. Dadurch kann der Energieverlust gering gehalten werden. Der Schallaustritt aus dem Koppelelement 2 wird vom piezoelektrischen Element registriert. Es wird vorzugsweise die Laufzeit des Signals vom Schalleintritt in das Koppelelement bis zum Schallaustritt aus dem Koppelement gemessen.
Der Abstand der ersten im Wesentlichen parallel zu piezoelektrischen Element 3 angeordneten Grenzschicht 4 vom piezoelektrischen Element 3 beträgt mindestens eine Wellenlänge λ des von diesem ausgesandten Ultraschallsignals, so dass die Länge des ersten Signalpfads 8 mindestens zwei Wellenlängen λ beträgt. Üblicherweise schwingt das piezoelektrische Element 3 nach dessen Anregung nach. Durch so genanntes Backing oder Gegenschwingungen kann diese Abklingphase kurz gehalten werden. Durch die Länge von mindestens 2 Wellenlängen des ersten Signalpfads am Piezo 3 entsteht zwischen ausgesandtem und empfangenem Ultraschallsignal ein zeitlicher Mindestabstand zur Bestimmung und Auswertung der Signale. Erfindungsgemäß sind auch weitaus längere Signalpfade im Koppelelement 2. Jedoch ist energetisch ein kurzer Signalpfad von Vorteil. Da in diesem Ausführungsbeispiel die erste Grenzschicht 4 eine bei der Herstellung festgelegte Reflektion in Abhängigkeit vom Ultraschallsignal herbeiführt und somit der Wirkungsgrad des Piezos direkt proportional zum Amplitudenverhältnis zwischen Sendesignal und Echo ist, ist eine Selbstkontrolle des Ultraschallwandlers besonders gut möglich.
Das Koppelelement 2 besteht in diesem Beispiel aus einem Kunststoff. Kunststoff weist günstige Eigenschaften bezüglich der Schallleitung auf. Durch ein Koppelelement aus Kunststoff lässt sich ein flacher Winkel des Ultraschallsignals zur Rohrachse realisieren und ein großer Anteil an Schallenergie in das Fluid transportieren, sowie den Messeffekt der Zeitverschiebung bei einem Durchfluss eines Messmediums optimieren. Zusätzlich dazu ist Kunststoff ein bevorzugt eingesetzter Werkstoff in (bio-)technologischen Prozessen. Wird die Lage der ersten Grenzschicht 4 im Koppelelement 2 nahe an den Austritt des Ultraschallsignals zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses aus dem Koppelelement gewählt, so haben äußere Einflüsse, wie z. B. eine inhomogene Temperaturverteilung im Koppelement 2, einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Koppelelement 2.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1 mit zwei Reflektionsflächen. Wie in 3 mit zwei piezoelektrischen Elementen 3 und 3' ist hier der erste Signalpfad 8 aufgeteilt in zwei gleichlange Strecken, mit einer Reflektion an einer ersten Grenzschicht 4 als Streckenteiler. Der Vorteil eines zweiten piezoelektrischen Elements 3' liegt in einem geringeren Signalverlust verglichen mit einer zweiten Reflektion auf dem ersten Signalpfad 8 wie in 2 zu sehen. Der Vorteil der gleichlangen Strecken ist bei beiden Ausgestaltungen gleich. Die mittlere Schallgeschwindigkeit im Koppelelement 2 ist somit ohne Einfluss von äußeren Gegebenheiten, wie z. B. Temperatureinflüssen, sehr genau messbar, da der Punkt des Schallaustritts aus dem Koppelelement 2 zur Messung des Durchflusses mit dem Reflektionspunkt an der ersten Grenzschicht 4 des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad 8 zusammenfällt.
In 4 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem mit zwei Ultraschallwandlern 1 und 1' offenbart. In dieser Darstellung ist Ultraschallwandler 1 der sendende und Ultraschalwandler 1' der empfangende Sensor. Die Ultraschalwandler 1 und 1' sind vereinfacht als Koppelemente 2 mit aufgebrachtem piezoelektrischem Element 3 dargestellt und als Clamp-On Ultraschallwandler ausgeführt, auf einem Messrohr 11 angebracht. Beide Ultraschallwandler 1 und 1' befinden sich hier auf der gleichen Seite des Messrohrs 11. Denkbar ist ebenfalls die Anbringung eines Wandlers auf der gegenüberliegenden Seite.
Der erste Signalpfad 8 führt vom piezoelektrischen Element 3 zu der ersten Grenzschicht 4, wird dort reflektiert und an einer weiteren Grenzschicht zurück zum Piezo 3 reflektiert. Der zweite Signalpfad 9 führt dagegen aus dem Koppelelement 2 heraus in das Messrohr 11. An der dem Messmedium zugewandten Fläche der Messrohrwand 12, der zweiten Grenzschicht 5, erfährt das Ultraschallsignal eine Reflektion. Das Signal auf dem zweiten Signalpfad 9 wird in das Koppelelement 2 verzögert eingekoppelt und dort wiederum an einer Grenzschicht zum piezoelektrischen Element 3 reflektiert. Hierzu ist das Koppelement 2 entsprechend Ausgestaltet. Sein geometrischer Aufbau ermöglicht die Einkopplung des an der zweiten Grenzschicht 5 reflektierten Signals auf dem zweiten Signalpfad 9. Die Ultraschallwandler 1 und 1' sind so ausgestaltet, dass dies bei allen zugelassenen Einsatzbedingungen der Fall ist. Da sich die Winkel der Reflektionen auch über Temperatur nicht wesentlich ändern, ist dies für eine fachlich qualifizierte Person leicht zu realisieren.
Der dritte Signalpfad 10 führt das Ultraschallsignal in das Messmedium. Da bei den vorhergehenden Reflektionen immer nur ein Bruchteil des ursprünglich ausgesandten Signals reflektiert wurde, ist genügend Signalenergie vorhanden, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr 11 mit Hilfe des Ultraschallsignals auf dem dritten Signalpfad zu bestimmen und/oder zu überwachen. Das Ultraschallsignal auf dem dritten Signalpfad 10 wird an der den Ultraschallwandlern 1 und 1' gegenüberliegenden Rohrinnenseite 12 in Richtung des empfangenden Ultraschallwandlers 1' reflektiert. Das piezoelektrische Element 3 des Ultraschallwandlers 1' kann somit das Ultraschallsignal auf dem dritten Signalpfad 10 empfangen. Eine temperaturunabhängige Messung der Schallgeschwindigkeit des Messmediums ist durch Kenntnis der einzelnen Zeiten des gesamten Schallpfads, d. h. durch Kenntnis der Laufzeit und damit der mittleren Schallgeschwindigkeit im Koppelelement 2 und der Kenntnis der Laufzeit und damit der Schallgeschwindigkeit in der Messrohrwand, möglich. Da nun die Schallgeschwindigkeit in den Komponenten des Messsystems und deren geometrische Abmessungen als bekannt gelten bzw. mittels den weiteren vorgenannten Messergebnissen bestimmt werden können, kann durch bekannte Verfahren der Durchfluss sehr genau bestimmt werden. Zusätzlich kann die Wandstärke der Messrohrwand und/oder das Material, aus welchem das Messrohr 11 hergestellt ist ermittelt werden. Bei längerem Betrieb sind auch Veränderungen der Rohrwand, z. B. durch Verkalkung oder Abrasion, erfindungsgemäß detektierbar.
Das Koppelelement 2 weist einen Schallabsorbierenden Bereich 7 auf, welcher die vom Piezo reflektierten Ultraschallwellen auffängt. Eine spezielle Geometrie reduziert die Ultraschallwellen im Koppelelement 2. Hier ist eine weitere Reflektionsfläche 14 dargestellt, welche ein Restsignal in einen speziellen Bereich des Koppelelements 2 reflektiert.
Bei allen Ausgestaltung sowohl gleichzeitig als auch zeitlich getrennt möglich, ist der Betrieb zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeiten in den einzelnen Messsystemskomponenten, wie dem Koppelement 2 und dem Messrohr 11, und die Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch das Messrohr 11.

1: Ultraschallwandler
2: Koppelelement
3: Piezoelektrisches Element
4: Erste Grenzschicht
5: Zweite Grenzschicht
6: Dritte Grenzschicht
7: Schallabsorbierender Bereich
8: Erster Signalpfad
9: Zweiter Signalpfad
10: Dritter Signalpfad
11: Messrohr
12: Messrohrinnenseite
13: Messrohraußenseite
14: Reflektionsfläche im schallabsorbierenden Bereich
15: Reflektions- bzw. Fokussierfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 686255 B [0008]
- US 4484478 A [0008]
- US 4598593 A [0008]
- US 5052230 A [0009]
- US 4195517 [0012]

Claims

Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welcher Ultraschallwandler mindestes ein Koppelelement und mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, welches Koppelelement mindestens ein Ultraschallsignal auf mindestens einem ersten Signalpfad von einem Schalleintritt in das Koppelelement bis zu einem Schallaustritt aus dem Koppelelement leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallaustritt des Ultraschallsignals auf dem ersten Signalpfad aus dem Koppelelement von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist und der erste Signalpfad eine Länge von mindestens zwei Wellenlängen λ des Ultraschallsignals aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Clamp-On-Ultraschallwandler handelt.
Ultraschallwandler nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement mindestens eine Grenzschicht aufweist, an welcher das Ultraschallsignal auf dem ersten Signalpfad reflektierbar ist.
Ultraschallwandler nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement einen schallabsorbierenden Bereich aufweist.
Ultraschallwandler nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement aus einem Kunststoff besteht.
Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welches Messrohr eine dem Messmedium abgewandte Fläche und eine dem Messmedium zugewandte Fläche einer Messrohrwand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem mindestens einen Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler auf der dem Messmedium abgewandten Fläche der Messrohrwand anbringbar ist, wobei das Ultraschallsignal auf einem zweiten Signalpfad nach dem Schalleintritt in die Messrohrwand mindestens an der dem Messmedium zugewandten Fläche der Messrohrwand reflektierbar ist und das Ultraschallsignal auf dem zweiten Signalpfad nach dem Schallaustritt aus der Messrohrwand von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist.
Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal auf einem dritten Signalpfad durch das Messmedium in dem Messrohr führt, wobei das Ultraschallsignal auf dem dritten Signalpfad von dem piezoelektrischen Element registrierbar ist.
Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr nach Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr aus einem Kunststoff besteht.