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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallmessvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines in einer Leitung strömenden Fluids nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 10.
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Für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Durchflusses auf Ultraschallbasis sind unterschiedliche Messprinzipien bekannt. Bei einem Dopplerverfahren wird die je nach Strömungsgeschwindigkeit unterschiedliche Frequenzverschiebung eines an dem strömenden Fluid reflektierten Ultraschallsignals ausgewertet. Bei einem Differenzlaufzeitverfahren wird ein Paar Ultraschallwandler am Außenumfang der Rohrleitung mit einem gegenseitigen Versatz in Längsrichtung montiert, die quer zu der Strömung entlang des zwischen den Ultraschallwandlern aufgespannten Messpfades wechselseitig Ultraschallsignale aussenden und registrieren. Die durch das Fluid transportierten Ultraschallsignale werden je nach Laufrichtung durch die Strömung beschleunigt oder abgebremst. Die resultierende Laufzeitdifferenz wird mit geometrischen Größen zu einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids verrechnet. Mit der Querschnittsfläche ergibt sich daraus der Volumenstrom oder Durchfluss. Für genauere Messungen können auch mehrere Messpfade mit jeweils einem Paar Ultraschallwandler vorgesehen sein, um einen Strömungsquerschnitt an mehr als einem Punkt zu erfassen.
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Die zur Erzeugung des Ultraschalls eingesetzten Ultraschallwandler weisen einen Schwingkörper auf, häufig eine Keramik. Mit dessen Hilfe wird beispielsweise auf Basis des piezoelektrischen Effekts ein elektrisches Signal in Ultraschall gewandelt und umgekehrt. Je nach Anwendung arbeitet der Ultraschallwandler als Schallquelle, Schalldetektor oder beides.
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Dabei muss für eine Kopplung zwischen dem Fluid und dem Ultraschallwandler gesorgt werden. Eine verbreitete Lösung besteht darin, die Ultraschallwandler mit direktem Kontakt zum Fluid in die Leitung hineinragen zu lassen. Die derart eintauchenden Ultraschallwandler sind aber dem Fluid und dessen Druck und Temperatur ausgesetzt und werden dadurch womöglich beschädigt. Umgekehrt können die Wandler die Strömung stören und deshalb die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen.
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In manchen Anwendungen, insbesondere im Hygienebereich, besteht die Anforderung, an der Innenwand eine gegenüber dem Fluid möglichst geschlossene Oberfläche zu bieten, damit Ablagerungen vermieden werden und eine vollständige Reinigung möglich ist. Aber auch bei herkömmlichen Ultraschallmessvorrichtungen mit Metall- beziehungsweise Edelstahlkanal, der prinzipiell für solche Anwendungen geeignet ist, werden weiterhin die Ultraschallwandler in den Kanal hineinragend montiert und mittels einer Gummidichtung akustisch und mechanisch davon getrennt. Diese Dichtungen müssen wegen aggressiver Reinigungsmittel regelmäßig ausgetauscht werden und verursachen damit Wartungsaufwand und Stillzeiten. Außerdem können sich an durch die Ultraschalwandler und deren Halterungen bedingten Unebenheiten dauerhafte Schmutzablagerungen bilden.
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Grundsätzlich sind auch Techniken bekannt, bei denen die Innenwand vollständig geschlossen bleibt. Ein Beispiel ist die sogenannte Clamp-On-Montage etwa gemäß
US 4 467 659 , mit der Ultraschallwandler von außen an der Leitung befestigt werden. Die
EP 1 378 727 B1 schlägt vor, die Ultraschall erzeugenden Elemente an einer Außenseite einer Wandung anzubringen. Im Gegensatz zur Clamp-On-Technik wird dabei die Wandung als Membran genutzt, die in dem Bereich der Ultraschallwandler eine Tasche mit erheblich geringerer Wandstärke bildet als die restliche Wandung. Diese auch als Clamp-In bezeichnete Montage ist gewissermaßen eine Zwischenform der festen Montage im Innenraum der Leitung und der Clamp-On-Montage.
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Um mit solchen Techniken eine gute Ultraschalleinkopplung zu erreichen, ist eine enge Passung der Ultraschallwandler auf die Leitung und damit eine zumindest nahezu senkrechte Montage der Ultraschallwandler erforderlich. Das führt aber zu sehr steilen Ultraschallpfaden, die also nur mit geringer Abweichung von einer Senkrechten durch die Leitung führen und somit kaum länger sind als der Durchmesser der Leitung. Gerade bei kleinen Nennweiten der Leitung sind diese Ultraschallpfade für eine hohe Messgenauigkeit zu kurz, da beispielsweise bei einem Differenzlaufzeitverfahren die auftretenden Differenzen zu kurz werden. Man könnte noch daran denken, den Ultraschall zunächst senkrecht einzukoppeln und dann mit Hilfe von Reflektoren einen flacheren oder sogar parallel zur Strömung ausgerichteten Abstrahlwinkel zu erzielen. Solche Reflektoren und deren Halterung sind aber erhebliche Störfaktoren für die Strömung und zudem Stellen, an denen sich dauerhafte Ablagerungen bilden können.
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In einem Durchflussmesssystem nach
DE 10 2008 055 030 A1 wird das Messrohr in einem Mittelteil in einer Achse aufgeweitet und in der dazu senkrechten Achse verschmälert. In zur Aufweitung in der einen Achse entstehenden Schrägen sind topfförmige Einbuchtungen des Messrohrs vorgesehen, deren Bodenflächen als Funktionsflächen für in den Einbuchtungen angeordnete Ultraschallwandler dienen.
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Die
DE 44 39 399 C2 offenbart einen weiteren Ultraschall-Durchflussmesser. Dessen Messrohr erweitert sich an zwei einander schräg gegenüberliegenden Stellen und bildet dort jeweils eine Längsnut mit einer Stirnfläche als Schallfensterwand eines Ultraschallwandlers.
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Bei einem Durchflussmesser nach
EP 2 682 719 A1 wird die Rohrwand zur Anordnung der Ultraschallwandler durchbrochen. Ein innerer Rohreinsatz mit durchgehender Oberfläche bedeckt dann die gesamte Innenfläche des Messrohrs einschließlich der Öffnungen für die Ultraschallwandler. In einer Ausführungsform weist der Rohreinsatz einen Vorsprung in die Strömung auf, damit die Austrittsflächen der Ultraschallwandler schräg zur Strömung angeordnet werden können.
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Aus der
DE 10 2004 060 118 A1 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät bekannt, bei dem die Ultraschallwandler von außen aufgesetzt werden (Clamp-On). In einer Ausführungsform ragen als Positionierflächen für zwei Ultraschallwandler ausgebildete Verformungen der Rohrwandung in den Innenraum des Messrohrs hinein, und eine weitere Verformung ist mittig zwischen den Ultraschallwandlern vorgesehen.
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Bei einer Ultraschall-Messanordnung nach
DE 10 2008 019 992 A1 sind Ultraschallwandler in vorspringenden Bereichen des Messrohrs angeordnet, damit ein direkter Schallweg in spitzem Winkel ermöglicht wird.
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Die
DE 199 44 411 A1 zeigt einen Ultraschall-Durchflussmesser, bei dem der Rohrquerschnitt im Messbereich in einer Achse stark verjüngt wird. Zwei Ultraschallwandler sind jeweils radial orientiert und spannen mit Hilfe von Reflektoren einen schräg verlaufenden Messpfad auf.
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In einem Ultraschall-Durchflussmesser nach
EP 0 897 101 A1 wird ein Messrohr mit sich verjüngendem und wieder aufweitendem Strömungsbereich verwendet. Auch hier sind die Ultraschallwandler radial ausgerichtet, wobei in diesem Fall Reflektoren genutzt werden, die einen Messpfad parallel zur Strömung erzeugen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Genauigkeit einer Ultraschallmessung im Hygienebereich zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallmessvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines in einer Leitung strömenden Fluids nach Anspruch 1 beziehungsweise 10 gelöst. Dabei wird der Ultraschallwandler nach dem einleitend genannten Clamp-In-Prinzip montiert. Ein Schwingkörper des Ultraschallwandlers koppelt dabei an einen Teilbereich der Kanalwand, insbesondere durch direkten Kontakt, bei dem der Schwingkörper auf dem Teilbereich aufliegt und gegebenenfalls durch Federkraft oder Ähnliches angedrückt wird. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, für die Anordnung des Ultraschallwandlers zusätzliche Freiheitsgrade zu schaffen, indem eine in den Strömungskanal hineinragende Ausbuchtung in der Kanalwand angebracht wird. Dadurch wird es möglich, die Orientierung des Ultraschallwandlers mittels Geometrie der Ausbuchtung zu wählen und dennoch weiterhin den Teilbereich der Kanalwand als Membran zu verwenden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass es ermöglicht wird, die Vorzüge der Clamp-In-Montage und der freien Montage eines in die Strömung hineinragenden Ultraschallwandlers zu kombinieren. Daher bietet sich dem Fluid eine vollständig geschlossene, glatte Innenfläche, die Ablagerungen vermeidet und eine leichte, vollständige Reinigung erlaubt. Zugleich sind die Ultraschallwandler im Zusammenhang mit dem Design der Ausbuchtung praktisch frei ausrichtbar. Dadurch lassen sich längere Messpfade durch die Strömung und damit eine höhere Messgenauigkeit erreichen.
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Der Ultraschallwandler ist bevorzugt mit einem flachen Abstrahlwinkel bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids angeordnet. Mit Abstrahlwinkel ist an dieser Stelle auch ein Einstrahlwinkel gemeint, je nachdem ob der Ultraschallwandler als Sender oder Empfänger arbeitet. Ein flacher Abstrahlwinkel ist insbesondere ein Winkel von höchstens 25°, höchstens 10° oder sogar nur höchstens 5°. Der als Membran wirkende Teil der Kanalwand steht dazu vorzugsweise als eine Flanke der Ausbuchtung sehr steil zur Längsachse der Leitung, nämlich praktisch im Differenzwinkel eines rechten Winkels und des flachen Einstrahlwinkels. Aus dem flachen Einstrahlwinkel resultiert ein entsprechend flacher Ultraschallpfad, der insbesondere bei kleinen Nennweiten der Leitung trotz der geometrisch beengten Verhältnisse ausreichend lang sein kann.
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Der Ultraschallwandler ist bevorzugt in einem Hohlraum der Kanalwand angeordnet, der nach außen hin offen ist und nach innen zum Strömungskanal hin den Teilbereich aufweist. Der Hohlraum ist gleichsam das Innere der Ausbuchtung, also die vom Strömungskanal abgewandte Seite der Kanalwand im Bereich der Ausbuchtung, in welchen der Ultraschallwandler von außen eingesetzt werden kann (Clamp-In). Zumindest in dem Teilbereich weist die Kanalwand des Hohlraums beziehungsweise der Ausbuchtung weniger Material auf als die sonstige Kanalwand, ist also dünnwandig. Das kommt der gewünschten Funktion als Membran des Ultraschallwandlers entgegen.
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Die Ausbuchtung weist bevorzugt in Längsrichtung der Leitung hintereinanderliegend einen abgerundet ausgeführten Strömungsführungsbereich und den Teilbereich auf. Der Teilbereich ist ein wichtiger Anlass, die Ausbuchtung überhaupt anzubringen, nämlich um dessen Ausrichtung unabhängig von der Ausrichtung der übrigen Kanalwand zu machen und dadurch beispielsweise einen flachen Einstrahlwinkel erzielen zu können. Der Strömungsführungsbereich dient dazu, die Wirkung der in den Strömungskanal hineinragenden Ausbuchtung als Strömungshindernis möglichst weitgehend abzumildern, beziehungsweise trotz der Ausbuchtung für eine möglichst homogene Strömung zu sorgen. Ziel ist, dass ein Messpfad durch die Strömung tatsächlich repräsentativ für die gesamte Strömung ist, um eine genaue Messung zu erreichen.
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Der Strömungsführungsbereich ist bevorzugt flach ansteigend und der Teilbereich scharf abfallend ausgebildet. Der flache Anstieg sorgt für möglichste geringe Störung der Strömung. In dem scharf abfallenden Teilbereich bildet die Ausbuchtung eine gegenüber der Mittelachse der Leitung fast senkrechte Wand, so dass der Teilbereich als Membran für in flachem Winkel abgestrahlten oder empfangenen Ultraschall dienen kann. Für die Begriffe flach und scharf abfallend gelten insbesondere die oben zu den Abstrahlwinkeln genannten vorteilhaften Zahlenbereiche. Der Teilbereich kann ein Bestandteil der ursprünglichen Kanalwand beziehungsweise der Ausbuchtung sein. Alternativ wird die Membran zuvor beispielsweise aus einem Blech ausgeschnitten, in den scharf abfallenden Bereich der Ausbuchtung eine Öffnung geschnitten und die Membran dort eingeschweißt. Das Ergebnis ist in beiden Fällen eine geschlossene Innenfläche des Messkörpers.
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Die Kanalwand weist bevorzugt unter dem Teilbereich, gegenüber dem Strömungsführungsbereich, eine flach ansteigende Vertiefung auf. Der Teilbereich ist damit in die Kanalwand vor oder hinter der Ausbuchtung versenkt angeordnet. Die Vertiefung führt dieses versenkte Niveau dann mit zunehmendem Abstand zur Ausbuchtung langsam, um die Strömung möglichst wenig zu stören, wieder auf das Niveau der sonstigen Kanalwand zurück. Die Vertiefung hat beispielsweise im Querschnitt ein u-förmiges Profil, dessen Tiefe mit Abstand zur Membran immer weiter abnimmt und dann in das Profil der Leitung übergeht.
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Die Ausbuchtung weist, in einem Querschnitt der Leitung betrachtet, in der Mitte eine Erhebung auf. Die Ausbuchtung ist also keine einfache Rampe in der Strömung, welche im Querschnitt betrachtet horizontal verliefe, sondern bildet im Querschnitt ein Profil mit einer höchsten Erhebung in dessen Mitte. Dadurch kann das Fluid nicht nur über die Ausbuchtung hinwegströmen, sondern auch seitlich daran vorbei.
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Die Ausbuchtung weist, in einem Querschnitt der Leitung betrachtet, ein abgerundetes, wellenartiges W-Profil mit der Erhebung in der Mitte auf. Auch das seitlich vorbeiströmende Fluid wird so mit Hilfe des W-Profils geführt, um die Strömung möglichst wenig zu stören.
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Der Messkörper weist bevorzugt einen sich verjüngenden und wieder aufweitenden Strömungsbereich auf. Dieser Strömungsbereich weist demnach eine Engstelle auf oder ist in nochmals anderen Worten als Venturikanal ausgebildet. Diese geometrische Ausgestaltung bezieht sich im Gegensatz zu den vorigen Absätzen auf die Längs- und nicht die Querrichtung der Leitung. In dem Strömungsbereich verläuft zumindest der Großteil des Messpfades, hier sollte sich demnach eine reproduzierbare Strömung ausgebildet haben. Je repräsentativer die von dem Messpfad berührten Punkten für den Querschnitt sind, desto genauer wird die Messung des Durchflusses.
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Die Kanalwand des Strömungsbereichs setzt bevorzugt die Steigung der Vertiefung fort. Die Kanalwand steigt dann glatt und tangential, somit für die Strömung übergangslos aus der Vertiefung bis in die Engstelle des Venturikanals an.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei einander bezüglich des Strömungskanalquerschnitts gegenüberliegende Ultraschallwandler vorgesehen, die wechselweise als Sender und Empfänger arbeiten und zwischen einander einen Messpfad zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz für ein mit und gegen die Strömung des Fluids ausgesandtes Ultraschallsignal bilden. Die Ultraschallmessvorrichtung ist also für ein Differenzlaufzeitverfahren ausgebildet. Gegenüberliegend bedeutet, dass ein Messpfad auf einer Sichtlinie zwischen den Ultraschallwandlern quer durch den Strömungskanal und das darin strömende Fluid verläuft. Durch erfindungsgemäß geschaffene Möglichkeit flacher Messpfade ergeben sich größere Laufzeitdifferenzen, die einfacher und mit größerer Genauigkeit erfasst und ausgewertet werden können. Denkbar ist auch, mit zusätzlichen Ultraschallwandlerpaaren weitere Messpfade aufzuspannen. Bei kleinen Nennweiten wird aber bevorzugt nur ein Messpfad verwendet.
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Der Messkörper weist bevorzugt eine bezüglich seines Mittelpunkts symmetrische innere Geometrie auf. Das bedeutet auch, dass der Messkörper für beide Strömungsrichtungen des Fluids eingesetzt werden kann. Die dem Fluid dargebotene innere Kontur des Messkörpers ist von beiden Seiten her gleich, je nach Ausführungsform mit sanfter Steigung der Ausbuchtung nach außen zu den Ein- und Ausstromöffnungen hin und auf der jeweiligen Gegenseite der Ausbuchtung, zu dem Venturikanal hingewandt, einem scharf abfallenden, als Membran dienenden Teilbereich der Kanalwand. Die Symmetrie ist vorzugsweise eine Punktsymmetrie, d.h. die Ausbuchtung befindet sich einmal oben und einmal unten, so dass der zwischen den Ultraschallwandlern aufgespannte Messpfad durch den Venturikanal die Strömung quert. Im Übrigen ist der Messkörper vorzugsweise auch symmetrisch zu einer vertikalen Mittenebene der Leitung, die also mittig durch die Ausbuchtungen verläuft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben. Das erfindungsgemäße Montageverfahren eignet sich selbstverständlich ebenso zum Ausbau oder Austausch eines Ultraschallwandlers.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer herkömmliche Ultraschallmessvorrichtung nach dem Clamp-In-Prinzip;
- 2 eine dreidimensionale Gesamtansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallmessvorrichtung;
- 3 eine dreidimensionale Ansicht auf einen Messkörper der Ultraschallmessvorrichtung gemäß 2 ohne Umgehäuse;
- 4 einen Längsschnitt durch den Messkörper;
- 5 einen schematischen Längsschnitt ähnlich 4 zur Erläuterung des Venturiprinzips;
- 6a eine dreidimensionale Ansicht von schräg oben auf einen aufgeschnittenen Wandlerbereich des Messkörpers;
- 6b eine dreidimensionale Ansicht des Wandlerbereichs von außen her;
- 6c eine dreidimensionale Ansicht des Wandlerbereichs von innen her;
- 6d eine Längsschnittdarstellung des Wandlerbereichs;
- 6e eine Querschnittsdarstellung des Wandlerbereichs; und
- 7 eine Grafik zur Veranschaulichung des simulierten Strömungsverhaltens in dem Messkörper.
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1 zeigt in einer vereinfachten Prinzipdarstellung eine Ultraschallmessvorrichtung 100 nach dem Stand der Technik zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise des daraus berechneten Durchflusses eines Fluids 12 in einer Rohrleitung 14, das in einer durch einen Pfeil 16 bezeichneten Richtung strömt. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt beispielsweise mit dem einleitend beschriebenen Differenzlaufzeitverfahren durch Auswertung der Laufzeiten bei Aussenden und Erfassen von Ultraschallsignalen zwischen einem Paar Ultraschallwandler 18a-b mit und gegen die Strömung in einer nicht dargestellten Steuer- und Auswertungseinheit. In anderen Ausführungsformen können ebenso nur ein Ultraschallwandler wie mehrere Ultraschallwandler vorgesehen sein.
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Der Durchflussmesser 10 weist einen Messkörper 20 auf, der an Verbindungsstellen 22 in die Rohrleitung 14 eingefügt ist, beispielsweise durch Flanschverbindungen, und damit im montierten Zustand letztlich einen Teil der Rohrleitung 14 bildet. In einer Kanalwand 24 des Messkörpers 20, welche den eigentlichen Strömungskanal 26 umgibt, sind Ausbuchtungen oder Hohlräume 28a-b vorgesehen, in denen die Ultraschallwandler 28a-b montiert sind. Nach innen hin verbleiben an den Hohlräumen 28a-b von der Kanalwand 24 dünnwandige Bereiche 30a-b, die zugleich als Membran der Ultraschallwandler 18a-b dienen und von dessen Schwingkörper oder Keramik zum Schwingen angeregt werden, um ein Ultraschallsignal auszusenden, beziehungsweise umgekehrt bei Auftreffen eines Ultraschallsignals aus dem Strömungskanal 26 den Schwingkörper des Ultraschallwandlers 18a-b zum Schwingen anregen. Die dünnwandigen Bereiche 28a-b bleiben stabil genug, um einem zu erwartenden Kanalinnendruck von beispielsweise 15 bar standzuhalten. Die Kanalwand 24 bildet eine in sich geschlossene Innenfläche ohne Vertiefungen oder Vorsprünge, an denen sich Ablagerungen absetzen könnten.
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Diese herkömmliche Ultraschallmessvorrichtung 100 erlaubt keine Freiheitsgrade hinsichtlich der Orientierung der Ultraschallwandler 18a-b. Die Abstrahl- beziehungsweise Einstrahlrichtung ist einbaubedingt senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zu einer Mittelachse der Rohrleitung 14.
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2 zeigt zunächst eine dreidimensionale Gesamtansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallmessvorrichtung 10 von außen. Dabei bezeichnen in der gesamten Beschreibung gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechenden Merkmale. Der Messkörper 20 ist in dieser Ansicht in einem Umgehäuse 32 verborgen, welches die Ultraschallmessvorrichtung 10 nach außen hin schützt und eine glatte Außenkontur zur erleichterten Reinigung bietet. Das Umgehäuse 32 ist mit Hilfe zweier Überwurfmuttern 34a-b befestigt, die nach innen hin durch nicht erkennbare O-Ringe abdichten. Diese Dichtungsringe sorgen zugleich für eine akustische Entkopplung von Messkörper 20 und Umgehäuse 32, so dass das Umgehäuse 32 keine Brücke für Körperschall bildet. In einem 90°-Winkel ragt ein Anschlussbereich 36 heraus, durch den elektronische Leitungen verlegt werden können. An dem Anschlussbereich 36 kann eine nicht gezeigte Einheit mit Anschlüssen sowie einer Versorgungs- und Auswertungselektronik angebracht werden. Die Ultraschallmessvorrichtung 10 eignet sich insbesondere für kleine Nennweiten wie DN15, DN25 oder DN50.
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3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Messkörpers 20 gemäß 2 nach Entfernen des Umgehäuses 32. Der Messkörper 20 ist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform punktsymmetrisch zu seinem Mittelpunkt aufgebaut und wird auch unter Bezugnahme auf eine Schnittansicht gemäß 4 durch den Messkörper 20 erläutert, wobei der Messkörper in 4 gegenüber der 3 um 90° um seine Längsachse gedreht ist.
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Der Messkörper 20 setzt sich aus zwei Wandlerbereichen 38a-b und einem dazwischen angeordneten Strömungsbereich 40 zusammen. Eine Segmentierung erleichtert die maschinelle Herstellbarkeit einer komplexen Geometrie der einzelnen Elemente 38a-b, 40. In die Hohlräume 28a-b der Wandlerbereiche 38a-b werden die Ultraschallwandler 18a-b von außen eingesetzt und sind dann aufeinander ausgerichtet, um den Messpfad aufzuspannen. Die dünnwandigen Bereiche 30a-b sorgen einerseits für eine geschlossene Innenfläche des Messkörpers 20 und bilden andererseits die Membran des jeweiligen Ultraschallwandlers 18a-b. Jeweils in Umfangsrichtung auf der Gegenseite zu den Hohlräumen 28a-b ist noch Raum für weitere Elemente, beispielsweise Temperatursensoren 42a-b, deren Messwerte für eine Korrektur der Ultraschallauswertungen genutzt werden können.
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Ein Ziel des Designs des Messkörpers 20 ist, für ein Differenzlaufzeitverfahren die Laufzeitdifferenz zu erhöhen. Deshalb ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Strömungsbereich 40 venturiförmig ausgebildet. 5 illustriert dies in einer Prinzipdarstellung ähnlich dem detaillierten Schnitt der 4. Der Strömungsbereich 40 weist eine Engstelle mit dem Radius Ri auf, zu dem sich der Querschnitt von beiden Seiten her symmetrisch vom ursprünglichen Radius RA verjüngt. Dadurch erhöht sich die absolute Strömungsgeschwindigkeit, so dass auch bei geringeren Einlaufgeschwindigkeiten ausreichende Laufzeitdifferenzen gemessen werden können.
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Wie in 4 zu erkennen, ragen die Ultraschallwandler 18a-b in den Strömungskanal 26 hinein. Dies dient dazu, gerade bei kleinen Nennweiten einen direkten Messpfad von ausreichender Länge zu erreichen, der aufgrund seines flachen Winkels deutlich länger sein kann als der Kanaldurchmesser. Gleichzeitig werden dadurch aber Strömungshindernisse gebildet, die zu Verwirbelungen führen. Durch organische Formgebung im Vorlauf innerhalb der Wandlerbereiche 38a-b können solche Verwirbelungen harmonisiert werden, was ein weiteres Ziel des Designs des Messkörpers 20 ist und weiter unten im Zusammenhang mit den 6 und 7 näher erläutert wird. Dennoch lässt sich nicht gänzlich vermeiden, dass sich das Strömungsprofil der Geschwindigkeit verzerrt, was besonders bei einer Einpfadmessung zu einem Fehler bei der Berechnung des Volumenstroms führt, den die Genauigkeit hängt davon ab, wie repräsentativ der einzige Messpfad die Strömung zu erfassen vermag. Durch das Verhältnis zwischen innerem Radius Ri und äußerem Radius RA des Strömungsbereichs 40 lässt sich bei den meisten Einlaufgeschwindigkeiten ein homogenes Strömungsprofil herbeiführen. Die Grenze ist die Einhaltung eines noch zulässigen Druckverlusts. Der Strömungsbereich 40 mit seiner Venturiform dient also zum einen der Geschwindigkeitserhöhung, zum anderen der Homogenisierung des Geschwindigkeitsfeldes.
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6 zeigt verschiedene Ansichten eines Wandlerbereichs 38b. Dabei ist 6a eine Ansicht von schräg oben auf den aufgeschnittenen Wandlerbereich 38a, 6b eine dreidimensionale Ansicht von außen her, 6c umgekehrt eine dreidimensionale Ansicht von innen her, 6d ein Längsschnitt und 6e ein Querschnitt. Der nicht gezeigte andere Wandlerbereich 38a ist symmetrisch dazu aufgebaut.
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Der Wandlerbereich 38b weist eine Ausbuchtung 44b auf, die in den Strömungskanal 26 hineinragt und in welcher der Ultraschallwander 18b montiert wird. Die Ausbuchtung 44b ist damit der Bereich der Kanalwand 24, welche den Hohlraum 28b in der Kanalwand 24 gegenüber dem Strömungskanal 26 abgrenzt. Aufgrund der Ausbuchtung 44b ist es möglich, den als Membran dienenden dünnwandigen Bereich 30b statt wie herkömmlich praktisch parallel nun sehr steil gegenüber der übrigen Kanalwand 24 auszurichten und damit einen flachen Messpfad zu erzielen. Die Abweichung der Ausrichtung der Membran von der Senkrechten von wenigen Grad, beispielsweise 8°, entspricht dem Abstrahl- oder Einstrahlwinkel des Ultraschallwinkels und damit der Ausrichtung des Messpfades.
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Die Membran soll die Schallübertragung effizient gewährleisten und sollte zu diesem Zweck von reproduzierbar glatter Oberflächengüte sowie gleichmäßiger Dicke sein. Außerdem muss die Membran natürlich dem Druck des Fluids 14 in allen Situationen standhalten. Dazu kann beispielsweise die Membran aus einem Edelstahlblech des gleichen Materials wie der Messkörper 20 mittels Laser ausgeschnitten und wiederum mittels Laser in den Messkörper 20 eingeschweißt werden. Der als Membran dienende dünnwandige Bereich 30b hat in einer bevorzugten Ausführungsform einen größeren Durchmesser als der Ultraschallwandler 18b, beispielsweise 8 mm gegenüber 5 mm. Der verbleibende Hohlraum 28b kann mit einem dämpfenden Material, wie einem Epoxidharz, aufgefüllt werden. Dadurch wird der Ultraschallwandler 18b mechanisch stabilisiert und die Körperschallübertragung unterdrückt.
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Die Ausbuchtung 44b bildet ein Strömungshindernis. Durch ihre Formgebung wird dafür gesorgt, dass die Strömung optimiert um dieses Hindernis herumgeführt wird. Diese Formgebung hat mehrere Aspekte, die einzeln oder in Kombination zu dem gewünschten Ergebnis führen. Verzichtet man auf die besondere Formgebung und verwendet statt der abgerundeten Ausbuchtung 44b eine einfache Rampe, so stellt dieser stufenförmige Einlaufbereich eine Abrisskante dar, welche die Strömung auf der gesamten Breite abreißen lässt. Als Folge ergibt sich eine Scherschicht über einen wesentlichen Anteil des Strömungsprofils von beispielsweise 1/3. Diese Scherschicht muss von den Ultraschallsignalen durchquert werden und erhöht in ganz erheblichem Maße das Hintergrundrauschen, weil sich der Bereich entsprechend verringert, in dem die Laufzeit des Ultraschallpulses tatsächlich von einer zu messenden Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Die Formgebung der Ausbuchtung 44b ist deshalb darauf ausgerichtet, die Ausdehnung der Scherschicht so weit wie möglich zu verringern.
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Prinzipiell könnte man durch Formgebung dafür sorgen, dass die Strömung im relevanten Geschwindigkeitsbereich gar nicht abreißt. Dafür sind sehr geringe Krümmungen beispielsweise mit Winkeln von höchstens 4° erforderlich, welche die Bauform der Ultraschallmessvorrichtung 10 meist nicht zulässt. Es muss dann ein bestmöglicher Ausgleich zwischen Baugröße und einer Formgebung für eine kleine Scherschicht gefunden werden.
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Ein Aspekt der Formgebung der Ausbuchtung 44b ist ein flach ansteigender Strömungsführungsbereich 46b, der insbesondere noch eine sich aufweitende Anfangsrampe 48b umfasst, welche das anfängliche kreissegmentartige Profil der Rohrleitung 14 aufnimmt. Im Querschnitt betrachtet ist der Strömungsführungsbereich 46b dann in einer weiteren Betrachtung ins Innere des Messkörpers 20 hinein wie eine abgerundete, W-förmige Welle mit einer höchsten Erhebung 50b in der Mitte ausgebildet. Dadurch entstehen seitlich Bereiche, in denen das Fluid 14 an der Erhebung 50b vorbeiströmen kann, so dass die effektive Ausdehnung der Ausbuchtung 44b als Strömungshindernis erheblich verringert ist. Gleichzeitig sorgt die abgerundete Wellenform dafür, dass sich nirgends scharfe Kanten ausbilden, an denen die Strömung leicht abreißen könnte.
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Dort, wo dann der Strömungsführungsbereich 46b hoch genug ausgebildet ist, geht die zunächst sanft ansteigende Ausbuchtung 44b in eine steil abfallende Wand über, welche den als Membran fungierenden dünnwandigen Bereich 30b umfasst. Die Übergangsstelle wird vorzugsweise erneut abgerundet, um ein Abreißen der Strömung wenigstens teilweise zu unterdrücken.
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Von dem dünnwandigen Bereich 30b weiter ins Innere des Messkörpers 20 ist hinter der Ausbuchtung 44b noch eine Vertiefung 52b in der Kanalwand 24 angebracht. Diese ist zunächst tief genug, damit der dünnwandige Bereich 30b durch Versenken in die Kanalwand 24 in ausreichender Höhe in trotz einer diese Höhe nicht ganz erreichenden Ausbuchtung 44b untergebracht wird. Anschließend führt die Vertiefung 52b das Niveau dann sanft ansteigend wieder auf die übrige Kanalwand 24 zurück. Die Steigung der Vertiefung 52b wird dann vorzugsweise von der Venturiform des Strömungsbereichs 40 aufgenommen, so dass auch an diesem Übergang keine störende Kante entsteht.
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7 zeigt das Ergebnis dieser optimierten Formgebung der Wandlerbereiche 30a-b und des Strömungsbereichs 40 aus einer Simulation. Unten in 7 ist nochmals zur besseren Orientierung schematisch der Messkörper 20 gezeigt. Dies entspricht der dreidimensionalen Ansicht im oberen Teil der 7, wo verschiedene Querschnitte an ihrer jeweiligen Position innerhalb des Messkörpers 20 gezeigt sind. Einige dieser Querschnitte sind in der Mitte der 7 herausgegriffen, um die Strömungsprofile an für das Verständnis beziehungsweise die Messung besonders relevanten Stellen genauer zu zeigen. Mehrere Pfeile verdeutlichen die Zuordnung von Positionen im Messkörper und dort simulierten Strömungsprofilen. Zu beachten ist, dass die Strömungsrichtung 16 in 7 gegenüber den bisherigen Figuren umgekehrt ist, was aber keinerlei inhaltliche Bedeutung hat.
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Das Vergleichsbild des Strömungsverlaufs ohne optimierte Formgebung mit einer einfachen Rampe statt der Ausbuchtungen 44a-b ist nicht gezeigt. Hier würde die zu der Messung nur mit Hintergrundrauschen beitragende Scherschicht mindestens 1/3 der jeweiligen Querschnittsfläche einnehmen. Dagegen zeigt 7, dass der Lee-Wirbel durch die Abrisskante am Ende des Strömungsführungsbereichs 46a-b, im Übergang zu dem dann steil abfallenden dünnwandigen Bereich 30a-b, zwar für eine Scherschicht sorgt. Diese ist unvermeidlich, außer man verzichtet auf eine Anordnung der Ultraschallwandler 18a-b in einer Ausbuchtung 44a-b, nimmt aber dank der optimierten Geometrie nur einen sehr kleinen Flächenanteil der jeweiligen Querschnitte ein, und in der Mitte des venturiförmigen Strömungsbereichs 40 ist die Strömung fast gänzlich homogenisiert. Die Formgebung der Ausbuchtung 44a-b sorgt dafür, dass sich keine sonstigen Abrisswirbel an anderen Stellen bilden, auch nicht von dem seitlich an der Ausbuchtung 44a-b vorbeiströmenden Fluid 12, welches erheblich zu der geringeren Ausdehnung der Scherschicht beiträgt. Insgesamt ist damit ein Strömungsverhalten erreicht, welches eine genaue Messung ermöglicht.
