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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem ersten und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandlerelement.
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Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
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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 in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
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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 auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
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Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in 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. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Derartige Systeme sind z. B. aus der
EP 686 255 B1 ,
US-A 44 84 478 oder
US-A 45 98 593 bekannt.
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Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der
US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, ermittelt.
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Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen 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 Medien.
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Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. 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.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit hoher nutzbarer Bandbreite bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit einem ersten Ultraschallwandlerelement und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandlerelement, wobei das erste Ultraschallwandlerelement so angeregt wird, dass es ein erstes akustisches Signal mit einer ersten Schwingungsfrequenz aussendet und das zweite Ultraschallwandlerelement so angeregt wird, dass es ein zweites akustisches Signal mit einer zweiten Schwingungsfrequenz aussendet, wobei das erste akustische Signal und das zweite akustische Signal anschließend überlagert und akustisch gleichgerichtet werden, insbesondere in einem nicht linear elastischen ersten Schallleiter. Aus der Physik hinlänglich bekannt ist die Überlagerung und Gleichrichtung von elektromagnetischen oder mechanischen Wellen. Bei den Ultraschallwandlerelementen handelt es sich beispielsweise um piezoelektrische Elemente.
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Das erste Ultraschallwandlerelement wird mit einer ersten Schwingfrequenz angeregt, z. B. indem eine erste elektrische Spannung angelegt wird. Das zweite Ultraschallwandlerelement wird entsprechend mit einer zweiten Schwingfrequenz angeregt. Dadurch wird ein erstes akustisches Signal vom ersten Ultraschallwandlerelement mit der ersten Schwingfrequenz ausgesendet und ein zweites akustisches Signal wird vom zweiten Ultraschallwandlerelement mit der zweiten Schwingfrequenz ausgesendet. Diese Signale, also das erste akustische Signal und das zweite akustische Signal, werden anschließend überlagert und gleichgerichtet, insbesondere einweggleichgerichtet. So wird beispielsweise bei einer Einweggleichrichtung einer Wechselspannung nur der positive oder der negative Anteil übertragen. Analog ist hier die Behandlung einer akustischen Welle zu betrachten.
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Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die erste Schwingungsfrequenz ungleich der zweiten Schwingungsfrequenz ist, insbesondere, dass die erste Schwingungsfrequenz und die zweite Schwingungsfrequenz eine Differenz von mindestens 1 Hz aufweisen. Gleichzeitig ist die Differenz der beiden Schwingungsfrequenzen nicht höher als 80% der ersten Schwingungsfrequenz. Die erste Schwingungsfrequenz beträgt z. B. mindestens 10 kHz und/oder die erste Schwingungsfrequenz beträgt höchstens 200 MHz.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung werden das erste akustische Signal und das zweite akustische Signal und/oder die Überlagerung und/oder die bereits gleichgerichtete Überlagerung von erstem akustischen Signal und zweiten akustischen Signal mittels eines Tiefpasses gefiltert. Ein Tiefpass ist ein Bauteil welches Signalanteile mit Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz des Tiefpasses annähernd ungeschwächt passieren lassen, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen abschwächen. Auch jede Art von mechanischer Trägheit wirkt sich tiefpassbildend aus. Werden zwei akustische Signale unterschiedlicher Frequenzen überlagert, entsteht eine sogenannte Schwebung. Deren Einhüllende oder auch Hüllkurve genannt, weist wiederum eine weitere, tiefere Frequenz auf, als die Frequenzen der beiden ursprünglichen akustischen Signale. Durch einen Tiefpass werden die höheren Frequenzen nicht weiter übertragen, so dass lediglich die Frequenz der Hüllkurve den Tiefpass passiert.
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Eine weitere Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, dass die Grenzfrequenz des Tiefpasses höchstens 500% der Differenz zwischen erster Schwingungsfrequenz und zweiter Schwingungsfrequenz beträgt.
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In einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Überlagerung des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen. Signals und/oder die Gleichrichtung des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals oder die Gleichrichtung der Überlagerung des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals und/oder die Filterung des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals mit einem Tiefpass oder die Tiefpass-Filterung der Überlagerung oder der bereits gleichgerichteten Überlagerung des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals in einem ersten Schallleiter erfolgt, mit welchem das erste Ultraschallwandlerelement und das zweite Ultraschallwandlerelement akustisch gekoppelt sind. Die Überlagerung und/oder Gleichrichtung und/oder Tiefpass finden somit in einem gemeinsamen Bauteil statt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Amplituden des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals mindestens 1 × 10–6 m, oder gar mindestens 1 × 10–10 m in Wasser. Die maximalen Höhen der Amplituden sind bei vielen Ultraschallwandlern frequenzabhängig. Diese sind entsprechend aus Tabellen ablesbar oder über eine Formel berechenbar. Ein entsprechendes Ultraschallwandlerelement ist entsprechend in den erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräten eingesetzt.
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Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem ersten Ultraschallwandlerelement und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandlerelement, welches erste und zweite Ultraschallwandlerelement so an bzw. zu einem ersten Schallleiter angeordnet sind, dass die von ihnen ausgesendeten Signale überlagerbar sind, also dass sich die von ihnen ausgesendeten Signale, z. B. im ersten Schallleiter, überlagern, wobei der erste Schallleiter aus einem nicht linear elastischen Werkstoff hergestellt ist, insbesondere wobei der erste Schallleiter so ausgestaltet ist, dass er zumindest bereichsweise nur Druck- oder Zugkräfte überträgt, also dass mit diesem zumindest bereichsweise nur Zug- oder Druckkräfte übertragbar sind. Materialen mit nicht linear elastischen Eigenschaften sind dem Fachmann bekannt. Als Beispiele seien hier genannt Gummi, kavitierende Luftblasen in Flüssigkeit, inhomogene Flüssigkeiten wie Wasser-Öl Gemische. Durch die nicht linear elastischen Eigenschaften, insbesondere bezüglich Schalldruck, wird die akustische Gleichrichtung erreicht.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts ist das erste Ultraschallwandlerelement an einem ersten Vorlaufkörper angebracht und das zweite Ultraschallwandlerelement ist an einem zweiten Vorlaufkörper angebracht, wobei der erste Vorlaufkörper und der zweite Vorlaufkörper mit dem ersten Schallleiter akustisch gekoppelt sind.
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Eine andere Variante zeigt, dass das erste Ultraschallwandlerelement an einem ersten Vorlaufkörper angebracht ist und dass das zweite Ultraschallwandlerelement an einem zweiten Vorlaufkörper angebracht ist, wobei der erste Vorlaufkörper am zweiten Ultraschallwandlerelement angebracht ist und der zweite Vorlaufkörper am ersten Schallleiter angebracht ist. Die Ultraschallwandlerelemente sind somit akustisch in Reihe geschaltet.
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In einer weiteren Weiterbildung besteht der erste Schallleiter aus einem dritten Ultraschallwandlerelement. Dann ist beispielsweise eine erste Fläche des dritten Ultraschallwandlerelement zumindest teilweise elektrisch kontaktiert und eine zweite Fläche des dritten Ultraschallwandlerelement ist zumindest teilweise elektrisch kontaktiert, wobei die erste, elektrisch kontaktierte Fläche und die zweite, elektrisch kontaktierte Fläche des dritten Ultraschallwandlerelement über eine Diode miteinander elektrisch verbunden sind.
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Weitergebildet sind der erste Schallleiter und/oder ein zweiter Schallleiter so ausgestaltet, dass der erste Schallleiter und/oder ein zweiter Schallleiter Tiefpassverhalten aufweist, wobei der zweite Schallleiter so zum ersten Schallleiter und/oder zum ersten und zweiten Ultraschallwandlerelement angeordnet ist, dass die vom ersten und zweiten Ultraschallwandlerelement ausgesendeten Signale, z. B. über den zweiten Schallleiter, übertragbar sind.
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Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass der erste Schallleiter und/oder ein zweiter Schallleiter so ausgestaltet sind, dass nur Longitudinalwellen übertragbar sind.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
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6 zeigt zwei überlagerte akustische Signale mit deren Hüllkurve.
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In 1 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts dargestellt. Ein drittes Ultraschallwandlerelement bildet einen ersten Schallleiter 4 zwischen einem dritten Vorlaufkörper 14 und einem vierten Vorlaufkörper 15. Diesem parallel geschaltet ist eine Diode 8. Diese ist über Kabel 9 mit der elektrisch kontaktierten ersten und zweiten Oberfläche 10, 11 des Ultraschallwandlerelement verbunden. Über den dritten Vorlaufkörper 14 werden akustischen Signale von den Ultraschallwandlerelementen in den ersten Schallleiter 4 eingekoppelt. Der vierte Vorlaufkörper 15 leitet das überlagerte und gleichgerichtete Signal zum Messmedium. Er ist beispielsweise in einem Messrohr angeordnet oder mit diesem verbunden. Das dritte Ultraschallwandlerelement 4 wandelt mechanische Kräfte in Spannungen. Wird an der Diode eine positive Spannung vom Ultraschallwandlerelement 4 angelegt, also wenn in diesem Beispiel das Ultraschallwandlerelement 4 auf Druck belastet wird, wird ein Strom über die Diode 8 fließen und das Ultraschallwandlerelement 4 wird den Druck „hart” übertragen. Umgekehrt wird das Ultraschallwandlerelement 4 „weich” und keine Übertragung stattfinden, wenn das Ultraschallwandlerelement 4 auf Zug belastet wird und die Diode 8 den Stromfluss sperrt.
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Wird nun z. B. ein aus zwei akustischen Signalen, insbesondere Ultraschallsignalen, überlagertes akustisches Signal über diese Ausgestaltung geleitet, so lässt sich dieses Signal mit dieser Ausgestaltung gleichrichten. Mit einer hier nicht dargestellten zusätzlichen Schicht, einem zweiten Schallleiter in Reihe zu dem ersten Schallleiter geschaltet, kann darüber hinaus noch das Tiefpassverhalten der Ausgestaltung realisiert werden. Dieser zweite Schallleiter ist so ausgestaltet, dass er träge reagiert und somit tiefe Frequenzen passieren lässt, wobei gleichzeitig hohe Frequenzen stark gedämpft werden. Erreicht werden kann dies z. B. durch eine Schicht aus Kunststoff z. B. PP, GFK, Öl. Der zweite Schallleiter ist dann beispielsweise mit dem vierten Vorlaufkörper 15 akustisch gekoppelt. Ultraschall-Durchflussmessungen werden in der Regel bei/mit Frequenzen von mindestens 20 kHz und/oder von höchstens 100 MHz durchgeführt. Der Unterschied zwischen erstem akustischen Signal und dem mit dem ersten akustischen Signal zu überlagernden zweiten akustischen Signal beträgt z. B. 1 MHz. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses beträgt dann beispielsweise 3 MHz.
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2a, und 2b und 2c veranschaulichen eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung. Auch hier ist, wie in 1, der Teil der Erfindung verdeutlicht, welcher zur Gleichrichtung der akustischen Signale dient. Eine Schicht aus einer Vielzahl von Fäden 12 bilden den ersten Schallleiter 4. Die Fäden 12 sind zwischen zwei Vorlaufkörpern 14, 15 gehalten. Sie sind fest mit diesen verbunden. Die Fäden 12 sind lediglich auf Zug beanspruchbar. Dann sind sie zwischen den hier als Platten ausgebildeten Vorlaufkörpern 14, 15 gespannt. Bei Druck geben die Fäden nach – es wird keine Kraft übertragen, wie in 2c zu sehen ist. Die beiden Vorlaufkörper 14, 15 können z. B. mit einer Feder auseinandergedrückt und die Fäden damit auf leichtem Zug gehalten werden. Erfolgt nun eine Auslenkung durch eine mechanische Welle, insbesondere durch ein akustisches Signal, so erfolgt bei Zug eine gute Kraftübertragung und bei Druck, je nach Elastizität der Fäden, keine Übertragung.
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In 3 ist eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung gezeichnet. Hier sind zwei Ultraschallwandlerelemente 2, 3 auf zwei Vorlaufkörpern 6, 7 montiert, welche zwei Vorlaufkörper 6, 7 wiederum mit einem ersten Schallleiter 4 akustisch leitend verbunden sind. Die beiden Vorlaufkörper 6, 7 weisen, hier in diesem Beispiel, jeweils die Gestalt eines Exponentialhorns auf. Der erste Schallleiter 4 ist kugelförmig ausgebildet. Im ersten Schallleiter 4 werden somit die akustischen Signale der Ultraschallwandlerelemente 2, 3 überlagert, und, je nach Form und Ausgestaltung des Schallleiters 4 gleichgerichtet und/oder bereits tiefpass gefiltert. In einer anderen Variante ist der zweite Schallleiter 5 zwischen erstem Schallleiter 4 und dem Messrohr, in welchem das zu messende Messmedium strömt, angeordnet, welcher zweite Schallleiter 5 ein ausgeprägtes Tiefpassverhalten aufweist.
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4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts im dreidimensionalen Schnitt. Hier sind zwei ringförmige Ultraschallwandlerelemente 2, 3 ineinander geschachtelt, auf einem gemeinsamen ersten Schallleiter 4 angebracht. Somit lassen sich auch hier die akustischen Signale der beiden Ultraschallwandlerelemente 2, 3 im Schallleiter 4 überlagern.
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Ein letztes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts wird in 5 präsentiert. Dargestellt sind zwei Ultraschallwandlerelemente 2, 3 hintereinander in einer Flüssigkeit als erstem Schallleiter 4 angeordnet. Frei schwingend an ihrer Position gehalten werden die Ultraschallwandlerelemente 2, 3 von einem Käfig 13, der die Ultraschallwandlerelemente 2, 3 nicht an Bewegungen infolge von weder kleineren Druck- noch Zugstößen hindert. Die Flüssigkeit besteht z. B. aus dem Messmedium selbst, wodurch am wenigsten Übertragungsverluste zu erwarten sind. Hier erfüllt der erste Schallleiter 4 die Funktionen der Überlagerung und der Gleichrichtung der Signale der beiden Ultraschallwandlerelemente 2, 3. Der Behälter, in welchem sich die Anordnung befindet, ist dann z. B. bei einer Clamp-On-Anwendung, auf dem Messrohr angebracht.
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In 6a sind die Funktionsgraphen der Amplituden zweier akustischer Signale über die Zeit aufgezeichnet. Werden beide Signale einander überlagert, ergibt sich der zeitliche Amplitudenverlauf aus 6b. Zusätzlich zeigt 6b die Hüllkurve des sich ergebenden überlagerten Signals. Wird dieses Signal nun mittels eines Tiefpasses gefiltert und akustisch gleichgerichtet, ergibt sich das akustische Signal, welches in 6c veranschaulicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschall-Durchflussmessgerät
- 2
- Erstes Ultraschallwandlerelement
- 3
- Zweites Ultraschallwandlerelement
- 4
- Erster Schallleiter
- 5
- Zweiter Schallleiter
- 6
- Erster Vorlaufkörper
- 7
- Zweiter Vorlaufkörper
- 8
- Diode
- 9
- Kabel
- 10
- Erste Oberfläche des dritten Ultraschallwandlerelement
- 11
- Zweite Oberfläche des dritten Ultraschallwandlerelement
- 12
- Fäden
- 13
- Käfig
- 14
- Dritter Vorlaufkörper
- 15
- Vierter Vorlaufkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 686255 B1 [0005]
- US 4484478 A [0005]
- US 4598593 A [0005]
- US 5052230 A [0006]
