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Die
Erfindung betrifft eine Ultraschall-Messanordnung zur Durchfluss-, Schallgeschwindigkeits-, Dichte-,
Viskositäts-
und/oder Temperaturmessung fließfähiger Medien,
mit einem eine Messstrecke aufweisenden Messrohr, welches in einem
Bereich eines Messgehäuses
angeordnet ist, wobei die Ultraschall-Messanordnung zur Durchschallung
der Messstrecke in und entgegen der Flussrichtung eines Mediums
und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger als
Sensoren aufweist, und wobei das Messgehäuse an dem Messrohr angespritzt
mit diesem dichtungs- und nahtfrei verbunden ist und zwischen den
Sensoren ein zu der Flussrichtung paralleler, reflexionsfreier Schallweg
gebildet ist. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Ultraschall-Messanordnung.
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Zur
Etablierung einer gut durchschallbaren Messstrecke beim Einsatz
von Ultraschall-Messanordnungen, insbesondere im Bereich der Durchflussmessung
fließfähiger Medien,
sind bereits verschiedene Konzepte zur Ausbildung von Messstrecken
in Gehäusen
bekannt. Für
kleine Nenndurchmesser in der Grö ßenordnung
von bis zu etwa 25 mm sind hierfür
durch die
EP 0 088 235 und
der
EP 0 681 162 die U-Form,
und anderweitig beispielsweise aus der
DE 10 2005 041 288 auch die Z-Form
oder die doppelte Z-Form bekannt und verbreitet, wobei abhängig von Platzangebot
und Einsatzform auch weitere, im Grunde beliebig komplizierte Formen
von Messstrecken verwendet werden. Auch einfacher geformte Messstrecken,
bei denen dann aber die Anordnung der Sensoren komplizierter ausfällt, sind
etwa aus der
US 5 728
948 A bekannt.
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Alle
erwähnten
Messstrecken sind jeweils mit dem Nachteil behaftet, dass sie mit
ihrem dem Messvorgang geschuldeten Profil aus produktionstechnischen
Gründen
notwendig mehrteilig herzustellen sind und die betreffenden Teile
nachträglich mittels
Nähte verursachenden
Schweißungen
oder über
Dichtungen zu verbinden sind. Dieser Umstand bringt wiederum den
Nachteil mit sich, dass zum einen die betreffenden Dichtungen undicht
werden können
und sich Kapillaren zwischen Gehäuse
und Dichtung ausbilden können.
Zum anderen kann eine Schweißstelle
Poren, Einschlüsse
oder sonstige Unregelmäßigkeiten
aufweisen. In diese Schwachstellen kann sich das transportierte,
zu messende Medium setzen, was gerade in der Lebensmittelbranche zu
hygienischen Problemen führen
kann. Ein weiteres Problem kann hierbei im Bereich Chemieindustrie auftreten,
wenn Mediumsreste verbleiben, die z. B. beim Ausbau des Gerätes das
Personal gefährden können. Weiter
kann es umständlich
und daher von Nachteil sein, wenn die Sendeempfänger als Sensoren in das Messrohr
separat eingebracht und aus diesem wieder ausgebracht werden müssen, überdies ist
deren elektrischer Anschluss dann kompliziert zu realisieren.
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Bei
dem erwähnten
geringen Nenndurchmesser sind weiter aus der
DE 101 20 355 , der
DE 39 11 408 und der
DE 39 41 546 beispielsweise Systeme
bekannt, die mit Reflexion bzw. sogar Mehrfachreflexion arbeiten.
Jede Reflexion schluckt jedoch einen Teil der eingestrahlten Schallenergie,
so dass in diesen Fällen
starke Sendesignale benötigt werden,
die wiederum Probleme hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit
mit sich bringen können,
oder aber das Empfangssignal wird so schwach, das es von dem immer
vorhandenen, mit aufgezeichneten Rauschen nur noch schwer unterscheidbar
ist und daher seitens der Messwerterfassung einen erhöhten Aufwand
notwendig macht.
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Schließlich ist
aus der
DE 101 09 161 auch eine
Messanordnung bekannt, bei welcher innerhalb eines Geräts mit großem Nenndurchmesser
mittels einer Düse
im Messrohr ein kleinerer Durchmesser sozusagen simuliert wird,
indem durch die Düse
die Strömung
auf einen kleinen Bereich konzentriert wird. Solche Anordnungen
haben jedoch eine fest vorgegebene Flussrichtung und können somit
keine Rückflüsse messen.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine Ultraschall-Messanordnung zur Verfügung zu
stellen, die einfach und günstig
herzustellen ist und die bei kleinem Nenndurchmesser der Messstrecke
die Nachteile nachträglicher
zusammenzufassender Teile der Anordnung vermeidet und mittels einfach
anzuordnender und anzuschließender
Sensoren ein direktes Durchschallen der Messstrecke mit vertretbar
hoher Sendeleistung gestattet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Ultraschall-Messanordnung
der eingangs genannten Art, bei welcher das Messrohr nahtfrei vorgesehen
ist und dass im Bereich von dessen Stirnenden an dem Messgehäuse jeweils
wenigstens eine Aufnahme zur Unterbringung eines Ultraschall-Sendeempfängers vorgesehen
ist.
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Eine
Bereitstellung der Ultraschall-Messanordnung in einem mehrstufigen
Spritzgussverfahren gestattet es hierbei, in einer Form das mit
der Messstrecke versehene Messrohr zunächst ohne Reflexionsstellen
an der Messstrecke und mit den notwendigen Anschlüssen zu
gießen,
wonach das Messrohr als Zwischenprodukt in einem zweiten Spritzvorgang mit
dem Gehäuse
umgossen wird. Hierbei werden die Öffnungen der Messstrecke bei
dem zweiten Spritzvorgang mittels geeigneter Gegenstände, bspw.
Dorne oder Schieber verschlossen und so das Eindringen von Spritzgut
in die Messstrecke vermieden, die Verschlüsse können nach Entformen des Endprodukts
problemlos von den Öffnungen
entfernt werden. Bei dem zweiten Spritzgießvorgang verbindet sich der
Kunststoff des eingelegten Messrohres mit dem Kunststoff des dann
anzuspritzenden Messgehäuses
derart, dass keine Kapillaren oder Nahtstellen entstehen.
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Eine
zweckmäßige, die
gute Durchschallung der Messstrecke unterstützende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Messanordnung kann
darin bestehen, dass die sich zwischen den Sensoren erstreckende
Messstrecke im wesentlichen über
ihre gesamte Länge
einen kreisförmigen oder
elliptischen Querschnitt, insbesondere ohne Querschnittsänderung,
aufweist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Ultraschall-Messanordnung
sind die Sensoren an der Messtrecke hinsichtlich des bewegten Mediums
berührungsfrei
angeordnet und können
daher nicht von aggressiven, bspw. korrosiven Medien angegriffen werden,
während
umgekehrt kein Kontakt eines Sensors mit dem transportierten Medium
erfolgt und derart keinen negativen Einfluss, bspw. durch Verunreinigung
desselben, nehmen kann. Bei einer Ausführung mit mediumsberührten Sensoren
können
diese einfach an der Messstrecke zugewandten Flä chen des Messrohres angeordnet
sein, beispielsweise geklebt oder angespritzt.
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Die
Anordnung und Festlegung der Sensoren in den betreffenden Aufnahmen
erfolgt dabei sinnvollerweise derart, dass jeder Sensor an einer der
Messtrecke zugewandten Fläche
einer Aufnahme in dem Gehäuse
geklebt, angespritzt oder durch eine andere Fixierung ortsfest gehalten
ist.
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Eine
zweckmäßige Zuführung und
Abfuhr des zu messenden fließfähigen Mediums
zu der Ultraschall-Messanordnung hin bzw. von dieser weg wird durch
eine Weiterbildung sichergestellt, bei der das Messrohr im Bereich
seiner Enden mit Anschlusseinrichtungen verbunden ist, welche das
Medium in einer im wesentlichen quer zur Längserstreckung des Messrohres
verlaufenden Richtung zu- bzw. abführen. Hierdurch bildet das
Profil des Messrohres eine Z-Form oder eine U-Form oder die Form
eines „Doppel-L”. Dabei
ist auch eine Weiterbildung umfasst, bei der die Zu- bzw. Abflussrichtung
der Anschlusseinrichtungen nicht in einer Ebene liegen sondern einen
Winkel einschließen,
zum Beispiel einen Winkel von 90°.
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Entlang
seiner Längserstreckung
kann das Messrohr einer weiteren Ausführungsform mit axialen, über zumindest
einen Teil der Längserstreckung des
Messrohres verlaufenden Rippen oder dergleichen Vorsprüngen versehen
sein, die zweckmäßigerweise
bei dem Anspritzen des Gehäuses
in dafür
vorgesehene Aufnahmen der Gussform eingreifen, so dass das Messrohr
bei dem Gussvorgang keinen Bewegungen unterliegt und sicher gehalten
ist.
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Darüber hinaus
kann eine andere Weiterbildung der Ultraschall-Messanordnung an
dem Messrohr auch über
an diesem angeordnete radiale, insbesondere in gleichmäßigem Abstand über wenigstens
einen Teil der Längserstreckung
des Messrohres beabstandete Rippen verfügen, welche dem Messrohr eine
sowohl für
die Bedingungen des zweiten Spritzguss-Vorgangs als auch für seine
späteren Einsatzbedingungen
wünschenswerte
Steifigkeit verleiht.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführung der
Ultraschall-Messanordnung
bildet der Bereich des Messgehäuses
mit dem Messrohr ein erstes, offenes Gehäuseteil, welches mit einem
bevorzugt als Deckel ausgebildeten zweiten Gehäuseteil verbindbar ist. Die
beiden Gehäuseteile
bilden auf diese Weise einen Einbauraum, in welchem weitere Einrichtungen
untergebracht werden können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
ist in dem zweiten Gehäuseteil
die Anordnung wenigstens einer mit den Sensoren verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung
vorgesehen, die beispielsweise die Erzeugung, Erfassung, Auswertung
und/oder Weiterverarbeitung und Weiterleitung übernimmt und hierfür mit den
entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen ist. Eine solche
Signalverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise in dem vorher
erwähnten
Einbauraum angeordnet sein.
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Besonders
bevorzugt sind Ausführungsformen
der Ultraschall-Messanordnung,
welche die Anforderungen hinsichtlich Hygiene und Sicherheit bei Anwendungen
in der Lebensmittel- und chemischen Industrie einhalten, weswegen
insbesondere hierfür das
Messrohr sowie das Messgehäuse
bzw. dessen Teile aus einem Kunststoff, insbesondere einem lebensmitteltauglichen
und/oder hochbeständigen Kunststoff,
beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder einem anderen Polyolefin
oder einem geeigneten polymeren Fluorcarbon, wie etwa Perfluoralkoxy
(PFA), vorgesehen sind.
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Die
oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung einer vorstehend bereits beschriebenen Ultraschall-Messanordnung, welche
zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- i. Herstellung eines nahtfreien Messrohres (2) mit einer
Messstrecke (3) in einer ersten Gussform durch ein geeignetes
Gussverfahren, insbesondere ein Spritzgussverfahren, bei welchem
im Bereich der Stirnenden des Messrohres ein ungespritzter Bereich
ausgespart wird;
- ii. Einlegen von Positivformen (10) in im Bereich der
Enden des Messrohres (2) jeweils befindliche Anschlussstücke (5);
- iii. Einlegen des Messrohres (2) mit den Formen (10)
in eine zweite Gussform und Anspritzen eines insbesondere offenen
Gehäuseteils
(15) an das Messrohr, wobei bei dem Spritzgießvorgang das
Messrohr (2) mit dem Gehäusebereich naht- und kapillarfrei
verbunden wird, wobei der Bereich der Stirnenden des Messrohres
(2) durch das Anspritzen geschlossen und gehäuseseitig
gleichzeitig jeweils wenigstens eine Aufnahme zur Unterbringung
eines Ultraschall-Sendeempfängers gebildet
wird;
- iv. Entformen der verbundenen Gussstücke mit nachträglicher
Entnahme der Positivformen (10) aus den Anschlusstücken (5)
und Anordnung von Sensoren im Bereich der Messstrecke (3).
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Es
wird also bei dem Herstellungsverfahren zunächst ein die Messstrecke aufweisendes
Messrohr hergestellt, und zwar mittels eines Gussverfahrens, insbesondere
eines Spritzgussverfahrens. Das bei dem ersten Verfahrensschritt
im Grunde als Zwischenprodukt entstehende Messrohr wird sodann im Bereich
seiner Enden mit diese verschließenden Positivformen versehen,
die bevorzugt als im wesentlichen konische Dorne vorgesehen sind.
Aufgrund ihrer Konizität
weisen sie ein verjüngtes
Ende auf, das die Öffnungen
der Messtrecke im Endbereich des Messrohres sicher verschließt, so dass
dort bei dem zweiten Spritzgussvorgang kein Spritzgut eindringen kann.
Die Positivformen können
am Ende des Verfahrens nach dem Entformen des Gussstückes leicht wieder
aus den Anschlussstücken
herausgezogen werden.
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Bei
einer bevorzugten Variante des Herstellungsverfahrens kann ein das
erste Gehäuseteil
verschließendes
zweites Gehäuseteil
in dem gleichen Gussvorgang wie das erste geformt werden. Das das Messrohr
aufnehmende erste Gehäuseteil
muss dabei nicht zwangsläufig
als offenes, wannenartiges Gehäuseteil
ausgebildet sein, sondern kann auch lediglich Anschlussbereiche
für das
zweite Gehäuseteil aufweisen.
Bevorzugt wird aber das zweite Gehäuseteil einen Deckel für das erste
bilden, wobei in beiden Fällen
eines der Gehäuseteile
derart vorgesehen ist, dass in diesem wenigstens eine Signalverarbeitungseinrichtung
zur Erzeugung, Erfassung, Auswertung und/oder Weiterverarbeitung
der von den Sensoren erzeugten oder aufgenommenen Signalen angeordnet
ist.
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Besonders
vorteilhaft, weil gut handhabbar, lässt sich eine weitere Variante
des Verfahrens durchführen,
bei welcher das Messrohr während
des zweiten Gussvorgangs durch an seinem Außenbereich angeordnete Vorsprünge in Aufnahmen
der Gussform gehalten ist.
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Eine
weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus
vorsehen, dass entweder die Sensoren bei der Herstellung des Gehäuseteils
in dieses durch Einlegen in die Gussform vor dem Gussvorgang integriert
sind oder an dem Gehäuseteil
von außen
zugängliche
Aufnahmen zur nachträglichen
Anordnung der Sensoren vorgesehen sind, so dass nach dem Gussvorgang
entweder bereits die vollständige
Messanordnung zur Verfügung steht
oder diese noch um später
ausgewählte
Sensoren ergänzt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung
näher erläutert. In
teilweise schematisierter Ansicht zeigen hierbei
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Messrohres der erfindungsgemäßen Ultraschall-Messanordnung
mit in dessen Endbereichen angeordneten Anschlussstücken;
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2 eine
perspektivische Ansicht des Messrohres aus der 1 mit
in die Anschlussstücke eingeführten Positivformen;
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3 die
erfindungsgemäße Ultraschall-Messanordnung
mit einem Gehäusebereich und
darin angeordnetem Messrohr der 1 und 2.
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In
den 1 und 2 ist ein aus Kunststoff gefertigtes
Messrohr 2 mit darin befindlicher, nicht sichtbarer Messtrecke 3 einer
im Ganzen mit 1 bezeichneten Ultraschall-Messanordnung
zu sehen. Das Messrohr 2 ist einem ersten Spritzgussvorgang hergestellt
worden und erstreckt sich für
den Betrachter von vorne rechts nach hinten links. In seinen Endbereichen 4 weist
das Messrohr 2 jeweils ein Anschlussstück 5 auf, diese bilden
den Zu- und Ablauf für
das zu transportierende bzw. zu messende fließfähige Medium und weisen derart
in entgegen gesetzte Richtungen, dass das Profil des Messrohrs 2 die
Form eines „Z” bzw. eines „Doppel-L” bildet.
Die Anschlussstücke 5 sind
mit einem ausgeschnittenen Bereich 6 versehen, in welchem
in dem zweiten Spritzgussvorgang ein Anschluss an das in den 1 und 2 nicht
dargestellte Messgehäuse 7 erfolgt.
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Das
Messrohr 2 ist außen
entlang seiner Längserstreckung
mit axialen Vorsprüngen 8,
die das Messrohr 2 bei dem zweiten Spritzgussvorgang in der
Spritzform ortsfest halten. Darüber
hinaus ist das Messrohr außen
mit gleichmäßig beabstandeten
radialen Rippen 9, die entweder durch die Vorsprünge 8 unterbrochen
oder umlaufend sind, versehen. Diese Rippen 9 steifen das
Messrohr 2 aus und verleihen ihm Stabilität.
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Nur
in der 2 sind in Vorbereitung auf den zweiten Spritzgussvorgang
an dem Messrohr 2 zwei konische, dornartige Positivformen 10 zu
erkennen, die in die Anschlussstücke 5 eingesteckt
sind und deren jeweils in das Anschlussstück 5 ragendes verjüngtes Ende
die zugeordnete nicht erkennbare Öffnung der Messstrecke 3 des
Messrohres 2 verschließt.
Der der Messstrecke 3 abgewandte Bereich des verjüngten Endes
der Positivform 10 ist dabei so ausgeschnitten, dass sich
ein abgeflachter Bereich 11 ergibt, an welchem sich an
dem später
angespritzten Messgehäuse
derjenige Wandbereich 13 befindet (vgl. 3),
hinter welcher einer der Ultraschall-Sensoren angeordnet ist.
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Die 3 zeigt
eine Ultraschall-Messanordnung 1, nach einem zweiten Spritzgussvorgang
aus der Gussform entformt, bei welcher aus Gründen der Übersichtlichkeit die Sensoren
nicht dargestellt sind. Zu erkennen ist wiederum das bereits in
den 1 und 2 gezeigte Messrohr 2,
welches in einem als Gehäuseteil 15 ausgebildeten
Bereich des ebenfalls aus Kunststoff ausgebildeten Messgehäuses 7 angeordnet
ist.
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Das
Messrohr 2 ist mit dem Messgehäuse 7 dichtungs- und
nahtfrei verbunden und zwischen den nicht dargestellten Sensoren
ist ein reflexionsfreier Schallweg gebildet. Letzteres lässt sich
an der Position der Aufnahmen 12 erkennen, die nach Fertigstellung
der Form mit den Sensoren bestückt
und diese dort mittels Klebung, Anspritzen oder einer anderen Fixierung
festgelegt werden können,
wodurch diese hinsichtlich des Mediums berührungsfrei angeordnet sind.
Weiter ist an den Aufnahmen 12 genau derjenige Wandbereich 13 des
Messgehäuses 7 zu
erkennen, der bereits weiter oben erwähnt durch den abgeflachten
Bereich der Positivform beim Spritzgussvorgang entsteht. In der 3 ist
das Messrohr in seinem Außenbereich
lediglich mit den Axialen Vorsprüngen 8,
nicht aber den radialen Rippen 9 versehen.
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Überdies
ist der 3 zu entnehmen, dass das Gehäuseteil 15 des
Messgehäuses 7,
in welchem das Messrohr 2 angeordnet ist, wannenartig mit
einem Rand 14 ausgebildet ist, welcher Rand 14 eine
von diesem abstehende Lippe 16 aufweist. An dem Rand 14 ist
das Gehäuseteil 15 mit
einem nicht dargestellten, als Deckel ausgebildeten zweiten Gehäuseteil
verbindbar, so dass mit dieser Anordnung das Messrohr 2 eingeschlossen
ist und sich in unmittelbarer Nähe
einer in dem durch die zusammengefügten Gehäuseteile gebildeten Einbauraum
angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung befindet. Im Außenbereich
des ersten Gehäuseteils 15 sind
außerdem
zwei flache, von dem Gehäuseteil
wegragende Festlegemittel 17 mit Ösen 18 angeordnet,
an welchem das erste Gehäuseteil 15 bzw.
das ganze Messgehäuse
an geeigneter Stelle festgelegt werden kann.
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Die
vorstehend beschriebene Erfindung betrifft demnach also eine Ultraschall-Messanordnung 1 zur
Durchflussmessung fließfähiger Medien,
mit einem eine Messstrecke 3 aufweisenden Messrohr 2, welches
in einem Bereich eines Messgehäuses 7 an geordnet
ist, wobei die Ultraschall-Messanordnung 1 zur Durchschallung
der Messstrecke 3 in und entgegen der Flussrichtung eines
Mediums und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete
Ultraschall-Sendeempfänger
als Sensoren aufweist, und wobei das Messgehäuse 7 an dem Messrohr 2 angespritzt
mit diesem dichtungs- und nahtfrei verbunden ist und zwischen den
Sensoren ein zu der Flussrichtung paralleler, reflexionsfreier Schallweg gebildet
ist. Um eine Ultraschall-Messanordnung 1 zur Verfügung zu
haben, die einfach und günstig
herzustellen ist und die bei kleinem Nenndurchmesser der Messstrecke 3 die
Nachteile nachträglicher
zusammenzufassender Teile der Anordnung 1 vermeidet und
mittels einfach anzuordnender und anzuschließender Sensoren ein direktes
Durchschallen der Messstrecke 3 mit vertretbar hoher Sendeleistung
gestattet, ist das Messrohr 2 nahtfrei vorgesehen und im
Bereich von dessen Stirnenden an dem Messgehäuse 7 jeweils wenigstens
eine Aufnahme 12 zur Unterbringung eines Ultraschall-Sendeempfängers vorgesehen.