DE102019112332A1

DE102019112332A1 - Fluidmesseinrichtung und Fluidmessmodul für eine Fluidmesseinrichtung sowie Baugruppe

Info

Publication number: DE102019112332A1
Application number: DE102019112332.1A
Authority: DE
Inventors: Yannick Fuchs; Bertrand Koenig; Noam NANCY; Manon DRUI
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG; Burkert SAS
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2019-12-05
Also published as: FR3081999B1; FR3081998B1; FR3081998A1; CN110553690A; US11435210B2; US20190368907A1; CN110553690B; FR3081999A1

Abstract

Eine Fluidmesseinrichtung (10) hat ein Gehäuse (12), in dem ein Durchflusskanal für ein zu messendes Fluid sowie wenigstens eine langgestreckte Modulaufnahmeöffnung (24) ausgebildet sind, die einen Durchgang von einer Außenfläche (23) des Gehäuses (12) bis zum Durchflusskanal bildet. Die Modulaufnahmeöffnung (24) ist längs des Durchflusskanals ausgerichtet. Es ist wenigstens ein vom Gehäuse (12) separat vorgefertigten Fluidmessmodul (28) vorgesehen, das einen als Wellenleiter (34) für akustische Oberflächenwellen ausgebildeten Bodenabschnitt (30) aufweist sowie wenigstens einen Signalumformer (40), der dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter (34) anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) zu empfangen. Das Fluidmessmodul (28) ist so in die Modulaufnahmeöffnung (24) eingesetzt, dass der Bodenabschnitt (30) des Fluidmessmoduls (28) einen Abschnitt einer Innenwand des Durchflusskanals bildet, der in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, sodass vom Signalumformer (40) ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen in den Wellenleiter (34) einkoppelbar und vom Signalumformer (40) empfangbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidmesseinrichtung und ein Fluidmessmodul für eine Fluidmesseinrichtung sowie eine Baugruppe aus einem Gehäuse einer Fluidmesseinrichtung und einem Fluidmessmodul.
In vielen Anlagen ist es erforderlich, eine Durchflussmenge eines Fluids zu bestimmen. Oft ist es auch vorteilhaft, andere Eigenschaften des durch die Anlage strömenden Fluids bestimmen zu können. Zu diesem Zweck werden Fluidmesseinrichtungen in eine der Fluidleitungen der Anlage eingesetzt, also Vorrichtungen, mittels derer ein Durchfluss oder auch andere Eigenschaften des strömenden Fluids gemessen werden können.
Die verwendete Fluidmesseinrichtung sollte möglichst kompakt und robust ausgelegt sein, also wenig Bauraum benötigen und weitgehend wartungsfrei sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Fluidmesseinrichtung möglichst universell einsetzbar ist und insbesondere unterschiedliche Fluide verwendet werden können oder auch unterschiedliche Eigenschaften bestimmbar sind.
Eine Messmethode, die sich für eine derartige Aufgabenstellung gut eignet, ist die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen, die in einem akustischen Wellenleiter angeregt und zum Teil in das Fluid ausgekoppelt und aus diesem wieder in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Das Fluid ist für dieses Messverfahren in direktem Kontakt mit dem Wellenleiter. Die Art und Frequenz der Oberflächenwellen ist so gewählt, dass eine teilweise Auskopplung als longitudinale Volumenschallwellen in das Fluid erfolgt. Diese Schallwellen durchlaufen das Fluid und werden so an einer das Fluid begrenzenden Fläche reflektiert, dass sie wieder auf den Wellenleiter treffen. Dort wird ein Teil der Volumenschallwellen wieder als akustische Oberflächenwellen in denselben oder einen anderen Wellenleiter eingekoppelt und läuft in diesem weiter. Auf diese Weise erhält man an einem akustischen Empfänger, der vom Sender beabstandet an einem Wellenleiter angeordnet ist, ein charakteristisches Signal, dessen zeitlicher Intensitätsverlauf inklusive der zeitlichen Verzögerung gegenüber dem vom Sender ausgesandten Signal Rückschlüsse auf charakteristische Eigenschaften des Fluids wie beispielsweise Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Homogenität, Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Durchflussvolumen, Dichte, Zusammensetzung einer Mehr-Phasenströmung, Konzentration oder Viskosität zulässt.
Dieses Messverfahren ist insbesondere für flüssige, aber auch für hochviskose, teigartige, gelartige oder pastöse Fluide homogener oder inhomogener Art, einschließlich biologischer Proben, geeignet. Auch die Verwendung für gasförmige Fluide wäre denkbar, wobei in diesem Fall die von Flüssigkeiten deutlich verschiedenen Schallgeschwindigkeiten zu berücksichtigen wären. Wenn das Fluid durch die Messeinrichtung hindurchströmt, lassen sich auch zeitliche Veränderungen des Fluids detektieren.
Die räumliche Ausbreitung der Volumenschallwellen im Fluid wird z.B. dadurch erreicht, dass die Volumenschallwellen unter einem Winkel δ bezogen auf eine Flächennormale des Wellenleiters in das Fluid ausgekoppelt werden. Der Zusammenhang lässt sich durch folgende Formel beschreiben: $δ = arcsin (\frac{C_{M}}{C_{S}}),$
wobei C_M die Schallgeschwindigkeit der Volumenschallwellen innerhalb des Fluids und es die Schallgeschwindigkeit der sich entlang des Wellenleiters ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen ist.
In dem am häufigsten vorliegenden Fall, in dem die Schallgeschwindigkeit im Fluid geringer ist als die der Oberflächenwellen im Wellenleiter, werden Schallwellen unter einem von Null verschiedenen Winkel ausgekoppelt, und die Volumenschallwellen legen, eventuell unter Mehrfachreflektion innerhalb des Fluids, eine räumliche Distanz entlang des Wellenleiters zurück.
Sender und Empfänger sind bei den bekannten Vorrichtungen an einer der Grenzfläche mit dem Fluid gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Wellenleiters befestigt. Um auf dieser Seite des Wellenleiters angeregte Oberflächenschallwellen in das Fluid einkoppeln zu können, werden daher bevorzugt Lamb-Wellen angeregt, also Wellen, deren Wellenlänge wesentlich länger ist als die Dicke des Wellenleiters zwischen Sender und Fluid. In diesem Fall bewegen sich sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Wellenleiters, wobei die Schwingung auch eine longitudinale Komponente hat. Daher ist diese Art der Anregung zur Auskopplung von Volumenschallwellen geeignet. Es ist auch möglich, die Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwellen in der Größenordnung der Dicke des Wellenleiters zu wählen, wobei dann Oberflächenwellen in einem Übergangsbereich zwischen Lamb-Wellen und Rayleigh-Wellen angeregt werden.
Die im Stand der Technik bisher beschriebenen Vorrichtungen, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten, sind komplex aufgebaut und aufwendig in der Fertigung und Wartung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und robuste, aber dennoch flexibel einsetzbare, auf dem Prinzip akustischer Oberflächenwellen beruhende Fluidmesseinrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einer Fluidmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt. Die Fluidmesseinrichtung hat ein Gehäuse, in dem ein Durchflusskanal für ein zu messendes Fluid sowie wenigstens eine langgestreckte Modulaufnahmeöffnung ausgebildet sind, wobei die Modulaufnahmeöffnung einen Durchgang von einer Außenfläche des Gehäuses bis zum Durchflusskanal bildet. Die Modulaufnahmeöffnung ist längs des Durchflusskanals ausgerichtet. Außerdem umfasst die Fluidmesseinrichtung wenigstens ein separat vom Gehäuse vorgefertigtes Fluidmessmodul, das einen als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen ausgebildeten Bodenabschnitt hat, sowie wenigstens einen Signalumformer, der dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter zu empfangen. Das Fluidmessmodul ist so in die Modulaufnahmeöffnung eingesetzt, dass der Bodenabschnitt des Fluidmessmoduls einen Abschnitt einer Innenwand des Durchflusskanals bildet, der in direkten Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, sodass vom Signalumformer ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen in den Wellenleiter einkoppelbar und vom Signalumformer empfangbar sind.
Aufgrund der modularen Bauweise lässt sich das Fluidmessmodul separat von der restlichen Fluidmesseinrichtung anfertigen und kann einfach als komplett vorgefertigtes Bauteil von außen in die Modulaufnahmeöffnung des bereits fertiggestellten Gehäuses eingesetzt werden. Dies vereinfacht die Fertigung und ermöglicht auch einen einfachen Austausch des Fluidmessmoduls, wodurch sich die Lebensdauer der Fluidmesseinrichtung verlängern lässt.
Der Wellenleiter kann dabei eine Lücke in der Wandung des Durchflusskanals schließen, die im Gehäuse besteht. Somit ist es nicht notwendig, den gesamten Durchflusskanal durch den Wellenleiter eines einzigen Fluidmessmoduls zu formen.
Außerdem sind vorteilhaft abgesehen vom Wellenleiter sämtliche Gehäusekomponenten der Fluidmesseinrichtung in deren Gehäuse vorgesehen, sodass das Fluidmessmodul auf die wesentlichen zur Messung mit dem Fluidmessmodul notwendigen Komponenten reduziert werden kann. Das Fluidmessmodul ist daher auch vorteilhaft so ausgelegt, dass es nur zusammen mit dem Gehäuse der Fluidmesseinrichtung verwendbar ist und kein eigenständiges Messgerät bildet.
Die Innenwand des Durchflusskanals, einschließlich des durch den Wellenleiter gebildeten Abschnitts, kann durchgängig glatt ausgeführt sein und vollständig aus einem gegenüber dem zu vermessenden Fluid korrosionsbeständigen Material gebildet sein. Der Wellenleiter besteht vorzugsweise stets aus demselben Material wie die restliche Wand des Durchflusskanals. So ergibt sich eine gleichförmige Oberfläche, auch wenn der Wellenleiter kein einstückiger Teil des Gehäuses der Fluidmesseinrichtung ist.
Selbstverständlich sollte das Fluidmessmodul entlang des Umfangs der Modulaufnahme gegenüber dem Fluid abgedichtet sein, sodass im Bereich des Fluidmessmoduls kein Fluid unbeabsichtigt aus dem Durchflusskanal austreten kann.
Das Gehäuse kann am stromaufwärtigen und am stromabwärtigen Ende jeweils eine Befestigungsstruktur, z.B. einen Flansch, aufweisen, wie dies von anderen Fluidmesseinrichtungen bekannt ist, über die die Fluidmesseinrichtung an einen angrenzenden Abschnitt einer Fluidleitung anschließbar ist. So lässt sich die Fluidmesseinrichtung einfach und schnell in eine bestehende Anlage integrieren.
Der Durchflusskanal verläuft vorzugsweise entlang einer Durchflussrichtung des Fluids geradlinig und bildet insbesondere im Bereich des Wellenleiters eine geradlinige Messstrecke, um eine möglichst genaue Messung zu ermöglichen.
Der Durchflusskanal ist in Umfangsrichtung um die Durchflussrichtung geschlossen ausgebildet. Generell ist vorgesehen, dass das Fluid in einer Anlage auf einem vorgegebenen Weg durch die Fluidmesseinrichtung von einem Fluideingang zu einem Fluidausgang strömt, ohne dass nicht fluidführende Bereiche der Fluidmesseinrichtung in Kontakt mit dem Fluid kommen.
Fertigungstechnisch ist es günstig, den Bodenabschnitt des Fluidmessmoduls auf seiner zum Durchflusskanal weisenden Außenseite, die die Grenzfläche zum Fluid darstellt, eben auszubilden.
Die Form des Querschnitts des Durchflusskanals (gesehen in einer Ebene senkrecht zur Durchflussrichtung) im Bereich der Modulaufnahmeöffnung kann beliebig gewählt werden, bevorzugt wird jedoch ein polygonaler, insbesondere rechteckiger, quadratischer, sechseckiger oder achteckiger Querschnitt. Dies erlaubt es, den Wellenleiter an seiner zum Durchflusskanal gerichteten Außenseite als ebene Fläche zu gestalten, die eine der Polygonflächen des Querschnitts des Durchflusskanals bildet.
Es wäre auch denkbar, die zum Durchflusskanal gerichtete Außenseite des Wellenleiters mit einer stetigen Krümmung auszubilden, abrupte Stufen sollten jedoch vermieden werden.
Der Durchflusskanal ist normalerweise von einem Fluideingang und von einem Fluidausgang begrenzt, die mit den Befestigungsstrukturen am Gehäuse verbunden sein können. Bevorzugt sind Elemente zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Durchflussrichtung am Fluideingang und/oder am Fluidausgang vorgesehen. Beispielsweise kann am Fluideingang ein Konfusor und/oder am Fluidausgang ein Diffusor angeordnet sein, wenn der Durchflusskanal einen kleineren Querschnitt als der Fluideingang bzw. der Fluidausgang aufweist, um die Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt in den Durchflusskanal zu erhöhen bzw. beim Verlassen des Durchflusskanals wieder zu verringern. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit geht mit einer Erhöhung der Messgenauigkeit bei kleinen Durchflussmengen einher.
Die Fluidmesseinrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Durchströmung mit Fluid entlang der Durchflussrichtung sowohl vom Fluideinlass zum Fluidauslass als auch in entgegengesetzter Richtung möglich ist, Fluideinlass und Fluidauslass also ihre Funktion tauschen können.
Die Modulaufnahmeöffnung kann senkrecht zur Durchflussrichtung etwas breiter sein als der Fluidkanal, sodass im Übergang vom Fluidkanal zur Modulaufnahmeöffnung eine Schulter gebildet ist, auf der ein Rand des Bodenabschnitts aufliegen kann, und die zur Anordnung einer Dichtung zwischen dem Fluidmessmodul und dem Durchflusskanal genutzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Gehäuse wenigstens eine weitere Modulaufnahmeöffnung vorgesehen, die vorzugsweise auf einer der ersten Modulaufnahmeöffnung gegenüberliegenden Seite des Durchflusskanals ausgebildet ist.
In die weitere Modulaufnahmeöffnung kann insbesondere ein zweites Fluidmessmodul eingesetzt sein, wobei sich vorteilhaft die Position des Signalumformers in den beiden Fluidmessmodulen entlang der Durchflussrichtung des Durchflusskanals unterscheidet. In diesem Fall muss jedes der Fluidmessmodule nur einen einzigen Signalumformer aufweisen, wobei jeweils einer der Signalumformer als Sender und der andere als Empfänger arbeitet. Die Funktionen werden dabei vorzugsweise abwechselnd ausgeführt, wobei Sender und Empfänger nach einem vorgegebenen Schema ihre Rollen tauschen.
Grundsätzlich kann aber eine beliebige geeignete Anzahl an Signalumformern in jedem der Fluidmessmodule vorgesehen sein.
In der weiteren Modulaufnahmeöffnung könnte auch ein Reflektor, beispielsweise in Form eines Wellenleiters, auf dem kein Signalumformer angeordnet ist, eingesetzt sein.
In einer anderen Variante kann in der weiteren Modulaufnahmeöffnung ein anderes Messmodul, insbesondere ein Analysemodul, zum Erfassen weiterer Messgrößen aufgenommen sein. Wie das Fluidmodul ist auch das Analysemodul vorzugsweise ein separat vorgefertigtes Bauteil, das zur Montage an der Fluidmesseinrichtung lediglich von außen in die Modulaufnahmeöffnung eingesetzt und dort fixiert werden muss. Das Analysemodul verschließt die jeweilige Modulaufnahmeöffnung fluiddicht.
Das Analysemodul lässt sich beispielsweise dazu auslegen, eine elektrische Leitfähigkeit, einen pH-Wert, eine Konzentration eines chemischen Stoffes wie z.B. Chlor, eine Trübung des Fluids, ein Redox-Potential des Fluids, eine Temperatur und/oder einen Druck oder eine beliebige andere, insbesondere auf das Fluid bezogene, Größe zu messen.
Die über das Analysemodul gewonnenen Messdaten ergänzen in der Regel die über das Fluidmodul gewonnenen Daten, wobei das Analysemodul meist so ausgelegt ist, dass Größen bestimmt werden, die durch die Auswertung der Messung mit akustischen Oberflächenwellen nicht oder nur schwer zugänglich sind.
Prinzipiell ist es möglich, an allen Seiten des Gehäuses (bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur Durchflussrichtung) Modulaufnahmeöffnungen vorzusehen, in die je nach Anforderungen an die Fluidmesseinrichtung ein oder mehrere Fluidmessmodule und/oder ein oder mehrere, gegebenenfalls für unterschiedliche Messgrößen ausgelegte Analysemodule einsetzbar sind. Die nicht benötigten Modulöffnungen können durch Reflektoren abgedeckt sein.
Das Gehäuse lässt sich vorteilhaft einstückig herstellen, um zusätzlichen Montageaufwand zu vermeiden und eine hohe Präzision zu erzielen. Somit kann das Gehäuse als einstückiger Körper aus einem geeigneten Material gestaltet sein, das den Durchflusskanal, den Fluideinlass, den Fluidauslass, die Modulaufnahmeöffnungen und gegebenenfalls weitere Fluidleitungen und/oder weitere geometrische Strukturen aufweist. Sämtliche elektronischen Bauteile der Fluidmesseinrichtung sowie auch die Wellenleiter können an den in die Modulöffnungen eingesetzten Fluidmodulen oder eventuell auch an weiteren, in das Gehäuse eingesetzten separat vorgefertigten Komponenten vorgesehen sein. Dies erlaubt eine modulare Bauweise, bei der einzelne Fluidmodule und Analysemodule am Gehäuse von außen zugänglich und zerstörungsfrei auswechselbar sind.
Im Gehäuse kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, die eine Kabeldurchführung zur Modulaufnahmeöffnung aufweist und durch die elektrische und/oder elektronische Anschlusskabel des jeweiligen Fluidmessmoduls geführt sind, um eine von außerhalb der Fluidmesseinrichtung kontaktierbare Schnittstelle für das Fluidmessmodul bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ventil vorgesehen, über das eine Fluidströmung durch den Durchflusskanal einstellbar ist, wobei das Gehäuse Fluidleitkanäle zwischen dem Durchflusskanal und dem Ventil und zwischen dem Ventil und dem Fluideinlass oder dem Fluidauslass aufweist. Auf diese Weise muss das (separat vom Gehäuse und dem Fluidmessmodul ausgebildete) Ventil nur auf das Gehäuse aufgesetzt werden und kann gegebenenfalls auch ausgetauscht werden. Die Fluidanschlüsse lassen sich vollständig im Gehäuse bereitstellen. Dabei können der Durchflusskanal und die Fluidleitung in einem massiven, einstückigen Abschnitt des Gehäuses ausgebildet sein. Das Gehäuse lässt sich dabei natürlich an die Anforderungen der Anlage anpassen, in der die Fluidmesseinrichtung eingesetzt werden soll.
Die Fluidmesseinrichtung bildet vorzugsweise inklusive des Ventils und einer Steuer- und Auswerteelektronik sowie sämtlicher eventuell vorgesehener Fluid- und/oder Analysemodule eine einzige Komponente, die über die Befestigungsstrukturen am Fluideingang und Fluidausgang in einer Anlage verbaut werden kann.
Es ist auch möglich, die Fluidmesseinrichtung zur Durchflusssteuerung einzusetzen, wobei die von den Fluid- und/oder Analysemodulen ermittelten Messwerte berücksichtigt werden. Die Steuersignale für das Ventil können von einer in die Fluidmesseinrichtung integrierten oder externen Steuerung bereitgestellt werden.
Bevorzugt weist die Fluidmesseinrichtung eine elektronische Schnittstelle zum Datenaustausch mit externen Systemen oder zum Anschluss an ein Netzwerk auf. Über die Schnittstelle lässt sich auch eine Stromversorgung der gesamten Fluidmesseinrichtung sowie sämtlicher daran verbauten Fluidmessmodule und/oder Analysemodule realisieren. Diese Schnittstelle kann eine separat vorgefertigte Komponente sein, die von außen in eine am Gehäuse ausgebildete Aufnahme eingesetzt ist.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem Fluidmessmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 11 erfüllt. Das Fluidmessmodul ist insbesondere ein Fluidmessmodul einer Fluidmesseinrichtung, wie sie oben beschrieben wurde. Das Fluidmessmodul weist ein Modulgehäuse auf, das einen als Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen ausgebildeten Bodenabschnitt hat sowie wenigstens einen direkt mit dem Bodenabschnitt verbundenen Signalumformer, der dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter zu empfangen. Der Wellenleiter ist dazu ausgelegt, auf einer von einem Innenraum des Modulgehäuses abgewandten Außenseite flächig in Kontakt mit einem Fluid gebracht zu werden. Das Fluidmessmodul ist so konzipiert, dass es nicht alleine und unabhängig, sondern stets mit einem oben beschriebenen Gehäuse der Fluidmesseinrichtung verwendet wird. Insbesondere bildet der Bodenabschnitt des Fluidmessmoduls keinen kompletten Durchflusskanal und realisiert nach dem Einsetzen in das Gehäuse der Durchflussmesseinrichtung nur einen Abschnitt des Durchflusskanals der Fluidmesseinrichtung.
Das Fluidmessmodul kann als eigenständige Einheit ausgelegt werden, d.h. sämtliche für eine Messung notwendigen Messvorrichtungen wie etwa Signalumformer und Wellenleiter und gegebenenfalls auch weitere Komponenten wie ein Temperatursensor sind in das Fluidmessmodul integrierbar, sodass das Fluidmessmodul vorzugsweise keine separat vom Fluidmessmodul an der Fluidmesseinrichtung angeordnete Messvorrichtungen für die von ihm durchzuführenden Messungen benötigt. Daher lässt sich die Fluidmesseinrichtung flexibel mit spezifischen Fluidmessmodulen bestücken. Auch ist ein Austausch eines beispielsweise defekten Fluidmoduls in der Fluidmesseinrichtung denkbar. Das Fluidmessmodul selbst ist in keinem Fall fluiddurchströmt, sondern wird lediglich an der Außenseite des Wellenleiters in Kontakt mit dem Fluid gebracht, sodass die Außenseite des Wellenleiters eine Grenzfläche zum Fluid und einen Abschnitt der Innenwand des Durchflusskanals bildet. Die restlichen Bereiche des Fluidmessmoduls haben keinen Kontakt zum Fluid.
Für den Fall, dass nur ein einziger Signalumformer im Fluidmessmodul vorgesehen ist, werden vorteilhaft zwei Fluidmessmodule an einer Fluidmesseinrichtung verwendet, die zusammenwirken. Sind in einem Fluidmessmodul zwei Signalumformer vorgesehen, kann die Messung auch mit einem einzigen Fluidmessmodul erfolgen.
Der oder die Signalumformer sind vorzugsweise als Piezo-Transducer, beispielsweise Interdigitalwandler, ausgebildet und insbesondere direkt mit dem Wellenleiter verklebt. Durch das Anlegen einer Wechselspannung an den Signalumformer lassen sich Oberflächenwellen im Wellenleiter generieren.
Das Modulgehäuse weist beispielsweise ein wannenförmiges Gehäuseteil auf, das vom Bodenabschnitt und einer umlaufenden Seitenwand gebildet ist, wobei der wenigstens eine Signalumformer innerhalb des wannenförmigen Gehäuseteils angeordnet ist. Ein derartiges Gehäuseteil ist einfach präzise zu fertigen, sodass eine sichere Abdichtung der Modulaufnahmeöffnung im Gehäuse der Fluidmesseinrichtung durch den Bodenabschnitt des Modulgehäuses gegeben ist. Vorzugsweise ist das wannenförmige Gehäuseteil als einstückiges Bauteil ausgebildet, sodass der Bodenabschnitt nahtlos in die Seitenwand übergeht.
Die Seitenwand ist vorteilhaft so hoch ausgebildet, dass sämtliche elektronischen Bauteile des Fluidmessmoduls innerhalb des von der Seitenwand umschlossenen Innenraums angeordnet werden können.
Es ist möglich, dass das Modulgehäuse nur aus dem wannenförmigen Gehäuseteil besteht.
Das Modulgehäuse sollte langgestreckt in Richtung des Wellenleiters sein, die im in die Fluidmesseinrichtung eingebauten Zustand der Durchflussrichtung durch den Durchflusskanal und der Längsrichtung der Modulaufnahmeöffnung entspricht.
Der Signalumformer ist vorteilhaft an einem der Enden des Wellenleiters angeordnet. Um die Abmessungen des Modulgehäuses klein zu halten, ist es günstig, wenn das Ende des Wellenleiters auch dem Ende des Bodenabschnitts entspricht. Sind zwei Signalumformer vorgesehen, so sollten diese an den beiden entgegengesetzten Enden des Wellenleiters angeordnet sein.
Der Signalumformer kann die gesamte Breite des Innenraums des Modulgehäuses senkrecht zur Längserstreckung des Wellenleiters einnehmen, sich aber insbesondere zumindest sich über die gesamte Breite des Durchflusskanals erstrecken. Dies ermöglicht, das Fluid in der kompletten Breite des Durchflusskanals zu durchschallen. Somit ist die Fluidmesseinrichtung relativ unempfindlich gegenüber einer ungleichmäßigen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit im Durchflusskanal.
Sowohl der Bodenabschnitt als auch die Seitenwand sollten eine so große Materialstärke aufweisen, dass das Modulgehäuse in sich starr ist und ungewollte Verformungen des Modulgehäuses ausgeschlossen sind.
Der Signalumformer kann von einem Dämpfungselement bedeckt sein, das eine Ausbreitung von akustischen Wellen auf den Wellenleiter direkt unter dem Signalumformer beschränkt.
Vorzugsweise ist anschließend an den Signalumformer über dem Wellenleiter ein Bereich mit geringer Dämpfung vorgesehen, der sich über eine Länge von wenigstens der ein- bis zwanzigfachen Wellenlänge, vorzugsweise der fünf- bis zehnfachen Wellenlänge, der Oberflächenwellen erstreckt. Dieser Bereich verläuft entlang der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen im Wellenleiter. Dieser Bereich mit geringer Dämpfung kann beispielsweise ein Luftspalt direkt oberhalb des Wellenleiters sein. In diesem Bereich sollte der Wellenleiter nicht an einem anderen Bauteil anschlagen können, wenn eine Oberflächenwelle durch ihn hindurch läuft, um eine ungestörte Ausbreitung der Oberflächenwellen im Wellenleiter sicherzustellen.
Es ist möglich, im Inneren des Modulgehäuses einen Temperatursensor anzuordnen, der insbesondere direkt am Wellenleiter angebracht ist, sodass zusätzlich zu den Eigenschaften, die über die akustische Oberflächenwellenmessung erfasst werden können, auch die Temperatur im Fluidmessmodul bekannt ist, die auch ein Maß für die Temperatur des durchströmenden Fluids darstellt. Viele der Messgrößen sind temperaturabhängig, sodass sich die Messgenauigkeit erhöhen lässt, wenn die Temperatur innerhalb der Fluidmesseinrichtung bekannt ist.
Der Wellenleiter kann in einem unmittelbar an den Signalumformer anschließenden ersten Bereich, der sich gegebenenfalls auch direkt unter dem Signalumformer erstrecken kann, eine kleinere Wandstärke aufweisen als in einem weiter vom Signalumformer beabstandeten zweiten Bereich. Vorzugsweise bildet der zweite Bereich mit der größeren Wandstärke eine Erhebung in etwa in der Mitte des Wellenleiters. Sind zwei Signalumformer vorgesehen, so liegt der zweite Bereich mit der größeren Wandstärke vorzugsweise mittig zwischen den beiden Signalumformern. An jeden der Signalumformer sollte sich dann in Richtung zum zweiten Bereich mit größerer Wandstärke ein erster Bereich mit kleinerer Wandstärke anschließen, die bevorzugt gleich lang ausgebildet sind.
Es hat sich herausgestellt, dass die Energieabgabe an den Wellenleiter maßgeblich durch die Wahl dessen Wandstärke beeinflusst wird. Damit an einem Reflexionspunkt der Volumenwelle weniger Energie an den Wellenleiter abgegeben wird, wird die am Reflexionspunkt vorliegende größere Wandstärke abweichend von der für das Ein- bzw. Auskoppeln im Bereich des Signalumformers optimalen kleineren Wandstärke gewählt. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Reflexion an dem bzw. den Reflexionspunkten verbessern, weil dort das Einkoppeln der Schallwellen in den Wellenleiter erschwert, bestenfalls sogar ganz verhindert wird. Somit kann bei guter Signalstärke eine deutlich längere Wegstrecke der Volumenwelle durch das Fluid und damit ein vergrößerter Messbereich realisiert werden, was insbesondere für die Messung kleiner Fluiddurchsätze von Vorteil ist.
Der erste Bereich mit kleinerer Wandstärke liegt bevorzugt unter dem Signalumformer und dem an diesen anschließenden Bereich mit geringer Dämpfung.
Vorzugsweise beträgt die kleinere Wandstärke 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 %, maximal jedoch 100 % der Wellenlänge der zum Messung verwendeten akustischen Oberflächenwelle. Bei dieser optimalen Wandstärke werden die Oberflächenwellen besonders gut vom Sender in die Wand eingekoppelt, von wo aus sie sich in das Fluid weiter ausbreiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die größere Wandstärke um 20 % bis 95 %, insbesondere um 50 %, größer als die kleinere Wandstärke. Somit ist es möglich, durch eine größere Wandstärke das Einkoppeln der Oberflächenwellen in den Wellenleiter zu behindern und so die Reflexion an den Reflexionspunkten zu verbessern. Dabei sind die Wandstärken in den beiden betrachteten Abständen jeweils vorzugsweise konstant.
Wenn mehr als zwei Signalumformer in einem Fluidmessmodul verwendet werden sollen, sind vorteilhaft zwei Signalumformer auf einem gemeinsamen Bereich mit kleinerer Wandstärke angeordnet.
Zum Schutz vor Umgebungseinflüssen ist das Modulgehäuse vorzugsweise zumindest teilweise mit einer Vergussmasse verfüllt, die den Wellenleiter und den oder die Signalumformer abdeckt. Falls ein Bereich geringer Dämpfung über dem Wellenleiter vorgesehen ist, wird dieser natürlich durch geeignete Maßnahmen von der Vergussmasse freigehalten. Die Vergussmasse kann z.B. das wannenförmige Gehäuseteil zumindest weitgehend ausfüllen.
Alternativ ist es auch möglich, einen Deckel vorzusehen, der das wannenförmige Gehäuseteil verschließt.
Als Material sowohl für das Gehäuse der Fluidmesseinrichtung als auch für das Modulgehäuse des Fluidmessmoduls sind Materialien mit einer hohen Schallgeschwindigkeit von vorzugsweise >1800 m/s vorteilhaft. Beispielsweise besitzen Metalle wie Edelstahl, Messing und Kupfer, aber auch hochfeste Kunststoffe diese Eigenschaft.
Das Fluidmessmodul kann eine Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik im Inneren des Modulgehäuses umfassen. Während vorzugsweise sämtliche für die eigentliche Messung notwendigen Komponenten im Fluidmessmodul selbst angeordnet sind, können Auswertung und Steuerung aber auch zumindest teilweise durch externe Elektronikeinheiten oder durch eine Steuerung der Fluidmesseinrichtung übernommen werden. In jedem Fall sollte das Fluidmessmodul eine elektrische Schnittstelle aufweisen, über die eine Spannungsversorgung und ein Datenaustausch möglich ist.
Die Fluidmesseinrichtung ist vorteilhaft modular konzipiert. Hierzu kann die Fluidmesseinrichtung eine Baugruppe aus einem Gehäuse und wenigstens einem vom Gehäuse separaten Fluidmessmodul umfassen, wobei das oder die Fluidmessmodule in der Baugruppe gegebenenfalls durch ein oder mehrere Analysemodule und/oder Reflektoren ergänzt werden. Das Gehäuse ist dabei ein Gehäuse einer oben beschriebenen Fluidmesseinrichtung, während das Fluidmessmodul einem der oben beschriebenen Fluidmessmodule entspricht. Das Fluidmessmodul ist so in die Modulaufnahmeöffnung einsetzbar, dass der Bodenabschnitt des Fluidmessmoduls einen Abschnitt einer Innenwand des Durchflusskanals bildet, der in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, sodass vom Signalumformer ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen in den Wellenleiter einkoppelbar und vom Signalumformer empfangbar sind.
Mit einer oben beschriebenen Fluidmesseinrichtung lassen sich mehrere unterschiedliche Aspekte realisieren.
Beispielsweise ist eine einfache Durchflussmessung über ein oder mehrere in die Modulaufnahmeöffnung(en) des Gehäuses eingesetzte Fluidmessmodule möglich, die den Durchfluss des Fluids über eine Messmethode, die akustische Oberflächenwellen verwendet, erfasst.
Es ist aber auch möglich, weitere Eigenschaften des Fluids mittels zusätzlich zu dem oder den Fluidmessmodulen vorgesehenen Analysemodulen zu erfassen, die in weitere Modulaufnahmeöffnungen des Gehäuses eingesetzt sind.
In noch einem weiteren Aspekt bietet die Fluidmesseinrichtung die Möglichkeit, eine Durchflussmessung und gegebenenfalls eine Messung weiterer Eigenschaften des Fluids mit einer Durchflusssteuerung zu kombinieren, indem ein Ventil in der Fluidmesseinrichtung vorgesehen ist. Insbesondere kann die Fluidmesseinrichtung so mittels der gemessenen Werte eine Massendurchflussregelung ausführen, vor allem, wenn eine entsprechende Steuerung in die Fluidmesseinrichtung integriert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem erfindungsgemäßen Fluidmessmodul;
- 2 eine schematische Schnittansicht der Fluidmesseinrichtung aus 1 entlang einer Durchflussrichtung;
- 3 ein Gehäuse der Fluidmesseinrichtung aus 1 in der Ansicht aus 2 ohne eingesetzte Fluidmessmodule;
- 4 eine schematische Schnittansicht der Fluidmesseinrichtung aus 1 entlang der Durchflussrichtung und senkrecht zur Schnittrichtung der 2;
- 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidmessmoduls;
- 6 das Fluidmessmodul aus 5 nach Einsetzen eines Dämpfungselements;
- 7 eine schematische Schnittansicht des Fluidmessmoduls aus 6 entlang der Durchflussrichtung;
- 8 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem angesetzten Ventil;
- 9 eine schematische Schnittansicht durch die Fluidmesseinrichtung aus 8 entlang der Durchflussrichtung;
- 10 eine schematische Schnittansicht der Fluidmesseinrichtung aus 8 senkrecht zu Durchflussrichtung;
- 11 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 12 eine schematische Schnittansicht der Fluidmesseinrichtung aus 11;
- 13 eine schematische Darstellung eines Analysemoduls für eine Fluidmesseinrichtung aus 11;
- 14 eine perspektivische Schnittansicht eines Gehäuses der Fluidmesseinrichtung aus 11 senkrecht zur Durchflussrichtung, und
- 15 bis 17 unterschiedliche Querschnittsformen des Durchflusskanals einer erfindungsgemäßen Fluidmesseinrichtung.

Die 1 bis 4 zeigen eine Fluidmesseinrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform.
In einem langgestreckten Gehäuse 12 ist ein Durchflusskanal 14 für ein Fluid ausgebildet, der an einem Ende des Gehäuses 12 in einen Fluideingang 16 und am anderen Ende des Gehäuses 12 in einen Fluidausgang 18 übergeht. Zwischen Fluideingang 16 und Fluidausgang 18 bildet der Durchflusskanal 14 eine in Umfangsrichtung um eine Durchflussrichtung D vollständig geschlossene Röhre. Der Durchflusskanal 14 bildet hier eine geradlinig verlaufende Messstrecke entlang der Durchflussrichtung D, wobei die Querschnittsfläche des Durchflusskanals 14 über dessen Länge konstant ist.
Die Querschnittsfläche des Durchflusskanals 14 ist in diesem Beispiel jedoch kleiner als die Querschnittsfläche des Fluideingangs 16 sowie die des Fluidausgangs 18. Am Übergang vom Fluideingang 16 zum Durchflusskanal 14 ist daher ein Konfusor 20 vorgesehen, der die Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt zum Durchflusskanal 14 erhöht. Dementsprechend ist am Übergang des Durchflusskanals 14 zum Fluidausgang 18 ein Diffusor 22 angeordnet, der die Strömungsgeschwindigkeit nach Durchströmen des Durchflusskanals 14 wieder reduziert. Konfusor 20 und Diffusor 22 können identisch ausgebildet sein und sind möglichst druckverlustarm gestaltet.
Da das Gehäuse 12 im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist, lassen sich Fluideingang 16 und Fluidausgang 18 in ihrer Funktion tauschen. Der Durchflusskanal 14 kann also sowohl in Durchflussrichtung D vom Fluideingang 16 zum Fluidausgang 18 als auch in Gegenrichtung von dem Fluid durchströmt werden.
In diesem Beispiel ist die Querschnittsform des Durchflusskanals 14 rechteckig gewählt (siehe beispielsweise 3 und 4 oder 10).
An zumindest einer der beiden Schmalseiten des Rechtecks, hier an beiden Schmalseiten, ist die Wand des Gehäuses 12 durchbrochen, sodass ein Durchgang von einer Außenfläche 23 des Gehäuses 12 zum Durchflusskanal 14 gebildet ist. Der Durchgang formt eine langgestreckte Modulaufnahmeöffnung 24, die sich über fast die gesamte Länge des Durchflusskanals 14 entlang der Durchflussrichtung D erstreckt. Dies ist gut in 3 zu erkennen.
Die Modulaufnahmeöffnung 24 ist senkrecht zur Durchflussrichtung D und entlang der Schmalseite des Querschnitts des Durchflusskanals 14 ein Stück breiter als der Durchflusskanal 14, sodass eine beidseitig entlang der Durchflussrichtung D verlaufende Schulter 26 gebildet ist.
In die Modulaufnahmeöffnung 24 ist ein Fluidmessmodul 28 eingesetzt, das in den 5 bis 7 im Detail gezeigt ist. Das Fluidmessmodul 28 ist ein eigenständiges, separat vom Gehäuse 12 vorgefertigtes Bauteil und weist ein Modulgehäuse 29 mit einem Bodenabschnitt 30 sowie einer ringförmig um den Bodenabschnitt 30 umlaufenden Seitenwand 32 auf, die einstückig und nahtlos in dem Bodenabschnitt 30 übergeht. Dies ist gut in 7 zu erkennen. In diesem Beispiel besteht das Modulgehäuse 29 aus einem wannenförmigen Gehäuseteil, das aus dem Bodenabschnitt 30 und der Seitenwand 32 besteht.
Der Bodenabschnitt 30 bildet einen Wellenleiter 34 für akustische Oberflächenwellen. Der Wellenleiter 34 erstreckt sich über die gesamte Länge des Bodenabschnitts 30 entlang der Durchflussrichtung D und dementsprechend auch über die wesentliche Länge der Modulaufnahmeöffnung 24 (abzüglich der Dicke der Seitenwand 32). Die Durchflussrichtung D bildet somit auch die Richtung der Längserstreckung des Fluidmessmoduls 28 und wird im Folgenden auch für das nicht eingebaute Fluidmessmodul 28 in dieser Funktion verwendet.
Die zum Durchflusskanal 14 gerichtete Außenseite 35 des Wellenleiters 34 ist in diesem Beispiel eben ausgeführt. Das Fluidmessmodul 28 ist so in die Modulaufnahmeöffnung 24 eingesetzt, dass die Außenseite 35 des Wellenleiters 34 den Durchflusskanal 14 begrenzt, also einen Teil der Innenwand des Durchflusskanals 14 bildet und somit eine Grenzfläche darstellt, die in direkten Kontakt mit dem durch den Durchflusskanal 14 strömenden Fluid kommt. Die der Modulaufnahmeöffnung 24 zugewandte Schmalseite des Durchflusskanals 14 wird dabei im Wesentlichen durch den Wellenleiter 34 begrenzt.
An den beiden Längsenden 36, 38 (bezogen auf die Durchflussrichtung D) des Wellenleiters 34 ist jeweils ein Signalumformer 40 angeordnet (siehe 5). Es wäre auch möglich, nur an einem Ende 36, 38 einen Signalumformer 40 vorzusehen.
Der Signalumformer 40 ist hier ein Piezo-Transducer in Form eines Interdigitalwandlers, der den Wellenleiter 34 direkt kontaktiert, sodass im Sendermodus durch das Anlegen einer Wechselspannung an den Signalumformer 40 akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter 34 angeregt werden. Im Empfängermodus kann der Signalumformer 40 Oberflächenwellen vom Wellenleiter 34 empfangen und in elektrische Signale umwandeln. In diesem Beispiel kann der Signalumformer 40 sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten und auch wechselweise als Sender und als Empfänger eingesetzt werden.
Die elektrische Kontaktierung sowie die Übermittlung der Messsignale bzw. von Steuersignalen des oder der Signalumformer 40 erfolgt hier durch flexible Leiterplatten 42, die innerhalb des von der Seitenwand 32 umschlossenen Innenraums 44 des Modulgehäuses 29 angeordnet sind. An den flexiblen Leiterplatten 42 ist eine Schnittstelle 46 ausgebildet, die aus dem Modulgehäuse 29 herausgeführt ist.
Im Gehäuse 12 der Fluidmesseinrichtung 10 ist entlang der Umfangsrichtung um die Durchflussrichtung D um 90° versetzt zur Modulaufnahmeöffnung 24 eine Ausnehmung 48 vorgesehen (siehe 4), die eine Kabeldurchführung 50 zur Modulaufnahmeöffnung 24 aufweist. In diesem Beispiel sind die die Schnittstelle 46 bildenden Bauteile durch die Kabeldurchführung 50 geführt und mit einem in die Ausnehmung 48 eingesetzten Steckermodul 52 elektrisch verbunden (siehe 1).
Im Modulgehäuse 29 des Fluidmessmoduls 28 ist direkt über dem Signalumformer 40 ein Dämpfungselement 54 angeordnet, das eine Ausbreitung von akustischen Wellen, z.B. unerwünschten Reflexionen, reduziert.
Direkt anschließend entlang der Durchflussrichtung D an den Signalumformer 40 ist über dem Wellenleiter 34 ein Bereich mit geringer Dämpfung 56 ausgebildet, indem in diesem Beispiel ein Luftspalt direkt über den Wellenleiter 34 vorgesehen ist. Der Luftspalt ist in seiner Höhe über dem Wellenleiter 34 so groß gewählt, dass der schwingende Wellenleiter 34 nicht in Kontakt mit anderen Bauteilen, insbesondere nicht mit der flexiblen Leiterplatte 42, kommt.
Der Wellenleiter 34 weist in diesem Beispiel entlang seiner Längsrichtung in Durchflussrichtung D zwei unterschiedliche Wandstärken T₁ , T₂ auf (siehe z.B. 7), die im Wellenleiter 34 erste und zweite Bereiche 60, 58 definieren. Ein zweiter Bereich 58 mit der größeren Wandstärke T₂ verläuft in etwa in der Mitte des Wellenleiters 34 (bezogen auf die Durchflussrichtung D), während unterhalb des Signalumformers 40 und ein Stück darüber hinaus in Richtung zum Bereich größerer Wandstärke T₂ sich ein erster Bereich 60 mit der kleineren Wandstärke T₁ erstreckt. Die Länge des Bereichs 60 anschließend an den Signalumformer 40 entspricht beispielsweise dem fünf- bis zehnfachen der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen, die auf bekannte Weise für die Messung verwendet werden. Die kleinere Wandstärke T₁ ist so gewählt, dass eine gute Einkopplung von akustischen Oberflächenwellen in den Wellenleiter 34 bzw. eine gute Auskopplung von akustischen Oberflächenwellen aus dem Wellenleiter 34 gegeben ist. Hierzu beträgt die Wandstärke T₁ vorzugsweise etwa die Hälfte der Wellenlänge der Oberflächenwellen. Die größerer Wandstärke T₂ ist hingegen so gewählt, dass bei einer Reflexion von Volumenschallwellen eine möglichst geringe Einkopplung von Oberflächenwellen in den Wellenleiter 34 erfolgt.
Der Übergang zwischen den Bereichen 58, 60 ist stetig ausgeführt, also ohne Stufen, um unerwünschte Reflexionen der Oberflächenwellen entlang des Wellenleiters 34 so weit wie möglich auszuschließen.
Der Bereich mit geringer Dämpfung 56 liegt über dem ersten Bereich 60 mit der kleineren Wandstärke T₁ .
Außerdem ist im Innenraum 44 des Fluidmessmoduls 28 ein Temperatursensor 62 angeordnet, der in 5 im Bereich des rechten Signalumformers 40 dargestellt ist, aber auch an anderer Stelle und insbesondere in direktem thermischen Kontakt mit dem Wellenleiter 34 angeordnet sein kann.
Das Modulgehäuse 29 ist beispielsweise mit einer elektrisch nicht leitenden Vergussmasse gefüllt, um die elektrischen Komponenten des Fluidmessmoduls 28 vor Umwelteinflüssen zu schützen (aus Darstellungsgründen nicht gezeigt). Der Luftspalt über dem Bereich 56 mit geringer Dämpfung ist dabei natürlich ausgespart.
Alternativ könnte, wie in 2 dargestellt, ein Deckel 64 vorgesehen sein, der den Innenraum 44 des Fluidmessmoduls 28 verschließt.
Eine Baugruppe aus dem Gehäuse 12 und dem Fluidmessmodul 28 bildet den Hauptteil der Fluidmesseinrichtung 10.
Zur Montage wird das Fluidmessmodul 28 als vollständig vorgefertigte Einheit von außen in die Modulaufnahme 24 des Gehäuses 12 eingesetzt, sodass sein Bodenabschnitt 30 einen Teil der den Durchflusskanal 14 begrenzenden Umfangswand bildet.
Soll das Fluidmessmodul 28 ausgewechselt werden oder durch ein anderes Bauteil, z.B. ein im Folgenden noch beschriebenes Analysemodul oder einen Reflektor ersetzt werden, so ist es von der Außenfläche 23 her zugänglich und kann nach außen aus der Modulaufnahme 24 entfernt werden.
Zur Vermessung eines Fluids wird eine Fluidströmung durch den Durchflusskanal 14 erzeugt, die entweder vom Fluideingang 16 zum Fluidausgang 18 oder umgekehrt verläuft. Im Fluidmessmodul 28 werden durch einen der Signalumformer 40 akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter 34 angeregt, die teilweise an der zum Durchflusskanal 14 gerichteten Außenseite 35 des Wellenleiters 34 in das Fluid ausgekoppelt werden und dort als akustische Volumenwellen verlaufen. Diese akustischen Volumenwellen werden an der Innenwand des Durchflusskanals 14 ein- oder mehrmals reflektiert und werden nach der Reflexion wieder teilweise in denselben oder einen anderen Wellenleiter 34 eingekoppelt. Dort werden sie von einem als Empfänger arbeitenden Signalumformer 40 erfasst und in elektrische Signale umgewandelt.
Die akustischen Oberflächenwellen verlaufen von dem als Sender agierenden Signalumformer 40 entlang der Durchflussrichtung D oder auch entgegen der Durchflussrichtung D bis zum zweiten Signalumformer 40, der dann als Empfänger agiert.
Durch z.B. eine Laufzeitdifferenzmessung zwischen den ausgesandten akustischen Oberflächenwellen und den empfangenen akustischen Oberflächenwellen werden in einer Auswerteelektronik, die entweder im Fluidmessmodul 28 oder auch als externe Einheit ausgebildet sein kann, die gewünschten Eigenschaften des Fluids bestimmt.
Die beiden Signalumformer 40 können entweder im selben Fluidmessmodul 28 oder in verschiedenen Fluidmessmodulen 28 angeordnet sein, wichtig ist nur, dass stets ein Sender und zumindest ein Empfänger bereitstehen, wobei die Rollen des Senders und des Empfängers beliebig und auch zeitlich variierend auf die einzelnen Signalumformer 40 verteilt werden können.
Die 7 bis 10 zeigen eine zweite Ausführungsform der Fluidmesseinrichtung 100.
Für gleiche oder nur wenig veränderte Bauteile werden aus Gründen der Übersichtlichkeit die bereits eingeführten Bezugszeichen beibehalten.
In dieser Ausführungsform ist in die Fluidmesseinrichtung 100 ein Ventil 170 integriert, das rechtwinklig zum Durchflusskanal 114 außen an das langgestreckte Gehäuse 112 angesetzt ist.
Der Durchflusskanal 114 ist in diesem Beispiel nicht geradlinig durchgängig zwischen dem Fluideingang 16 und dem Fluidausgang 18 ausgebildet. Stattdessen führt der Fluideingang 16 über einen ersten Fluidleitkanal 172 an eine äußere Oberfläche des Gehäuses 112, während der Fluidausgang 18 in einen zweiten Fluidleitkanal 174 übergeht, der ebenfalls zur Oberfläche des Gehäuses 112 führt und dessen Mündung neben einer Mündung des ersten Fluidleitkanals 172 liegt.
Die Fluidein- und -ausgänge des Ventils 170 sind mit den Mündungen der beiden Fluidleitkanäle 172, 174 fluidisch verbunden, sodass das Ventil 170 die Strömung durch den Durchflusskanal 114 regeln kann, indem es eine Fluidströmung zwischen den beiden Fluidleitkanälen 172, 174 beeinflusst.
Selbstverständlich können wie für die erste Ausführungsform beschrieben der Fluideingang 16 und der Fluidausgang 18 ihre Funktion tauschen, sodass der Durchflusskanal 114 und die Fluidleitkanäle 172, 174 auch in umgekehrter Richtung durchströmbar sind.
In diesem Beispiel ist zwischen dem ersten Fluidleitkanal 172 und dem Durchflusskanal 114 ein Diffusor 22 (der bei umgekehrter Strömungsrichtung als Konfusor wirkt) angeordnet.
Auch in dieser Ausführungsform sind zwei an entgegengesetzten Schmalseiten des Durchflusskanals 114 angeordnete Modulaufnahmeöffnungen 24 vorgesehen.
Jedoch ist hier nur in der in den Figuren oberen Modulaufnahmeöffnung 24 ein Fluidmessmodul 28 eingesetzt, während die in den Figuren untere Modulaufnahmeöffnung 24 durch einen nur als Reflektor für die Volumenschallwellen wirkenden Blinddeckel 176 fluiddicht verschlossen ist.
Das Fluidmessmodul 28 weist in diesem Fall zwei Signalumformer 40 auf, sodass die Vermessung des Fluids über akustische Oberflächenwellen vollständig durch dieses eine Fluidmessmodul 28 durchgeführt werden kann.
Selbstverständlich könnte auch in der zweiten Modulaufnahmeöffnung 24 ein Fluidmessmodul 28 oder auch ein anderes Messmodul eingesetzt sein.
Das Messprinzip ist wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass die Fluidströmung durch den Durchflusskanal 114 über das Ventil 170 von einer maximalen Durchströmung bis hin zu einer kompletten Unterbrechung des Fluidflusses einstellbar ist.
Die 11 bis 17 zeigen eine dritte Ausführungsform der Fluidmesseinrichtung 200.
Der Aufbau der Fluidmesseinrichtung 200 ist ähnlich dem der eben beschriebenen Fluidmesseinrichtung 100 der zweiten Ausführungsform. Auch hier ist ein Gehäuse 212 mit einem Durchflusskanal 114 versehen (siehe z.B. 12), durch den ein Fluid strömen kann. Auf das Gehäuse 212 aufgesetzt ist ein Ventil 170, wobei dessen Anschlüsse hier analog zur zweiten Ausführungsform durch Fluidleitkanäle 172, 174 im Gehäuse 212 ausgeführt sind.
In diesem Beispiel ist an jeder Seite des im Querschnitt rechteckigen Durchflusskanals 114 jeweils eine Modulaufnahmeöffnung 24 vorgesehen. In der Regel sind nur eine oder zwei dieser Modulaufnahmeöffnungen 24, insbesondere gegenüberliegende Modulaufnahmeöffnungen 24, mit Fluidmessmodulen 28 versehen.
In wenigstens eine der restlichen, weiteren Modulaufnahmeöffnungen 24 ist hingegen ein Analysemodul 280 (siehe 13) eingesetzt. Das Analysemodul 280 ist optional ähnlich aufgebaut wie das Fluidmessmodul 28 und umfasst ein Modulgehäuse 229, das aus einem wannenförmigen Gehäuseteil besteht, dessen Bodenabschnitt im eingesetzten Zustand dem Durchflusskanal zugewandt ist. In diesem Modulgehäuse 229 sind die jeweiligen Messvorrichtungen aufgenommen, die durch die jeweilige Art des Analysemoduls 280 bestimmt sind. Das Modulgehäuse 229 ist hier zumindest teilweise mit einer Vergussmasse gefüllt, um die Messvorrichtungen gegen Umwelteinflüsse zu schützen.
Das Einsetzen des Analysemoduls 280 kann auf die gleiche Weise geschehen wie das Einsetzen des Fluidmessmoduls 28. Insbesondere weist eine Messseite 282, die eine Außenseite des Bodenabschnitts bildet, zum Inneren des Durchflusskanals 14, sodass das durchströmende Fluid mit der Messseite 282 in Kontakt kommt, die dann, analog zum Fluidmessmodul 28, den Durchflusskanal 114 begrenzt.
Die Modulaufnahmeöffnung 24 weist beispielsweise analog zur ersten Ausführungsform Schultern 26 auf, auf denen die Messseite 282 des Analysemoduls 280 aufliegen kann (siehe 14).
Das Analysemodul 280 kann zur Messung einer beliebigen Eigenschaft des Fluids oder von Umgebungsbedingungen ausgelegt sein. Beispielsweise kommt infrage, eine elektrische Leitfähigkeit, einen pH-Wert, eine Konzentration eines chemischen Stoffes, eine Trübung des Fluids, ein Redox-Potential des Fluids, eine Temperatur und/oder einen Druck zu messen. Hierzu sind z.B. ein oder mehrere geeignete Messelemente 283 so im Analysemodul 280 verbaut, dass sie in Kontakt mit dem Fluid kommen.
Auf diese Weise kann die Fluidmesseinrichtung 200 als Analysegerät für eine Vielzahl von Fluideigenschaften ausgelegt sein, wobei die einzelnen Modulaufnahmeöffnungen 24 je nach Anwendungszweck bei identischem Gehäuse 212 unterschiedlich bestückt sein können.
Nicht benötigte Modulaufnahmeöffnungen 24 sind, wie in der zweiten Ausführungsform, durch Blinddeckel 176, die insbesondere als Reflektoren für akustische Wellen dienen, verschlossen.
Die Fluidmesseinrichtung 200 weist eine Steuerung 284 auf (siehe 11), die über Steuerleitungen 286 mit dem Ventil 170 und über Steuerleitungen 288 mit den einzelnen Fluidmessmodulen 28 sowie den einzelnen Analysemodulen 280 verbunden ist. Außerdem kann die Steuereinheit 284 über geeignete elektronische Schnittstellen 290, beispielsweise ein Bussystem, mit externen Einheiten oder einem Netzwerk kommunizieren. Über die Schnittstelle 290 lässt sich beispielsweise die Fluidmesseinrichtung 200 bezüglich der Steuerung in eine Gesamtanlage integrieren.
Die Schnittstelle 290 umfasst hier auch einen Ausgang, über den Steuersignale z.B. an externe Aktoren gegeben werden können, sodass die Fluidmesseinrichtung 200 auch eine komplexe Prozessregelung in einer Anlage erfüllen kann. Beispielsweise könnte in einer Wasseraufbereitungsanlage ein Chlorgehalt überwacht werden, wobei die Fluidmesseinrichtung 200 externe Aktoren (z.B. Ventile) ansteuert, über die Frischwasser oder Chlor entsprechend zudosiert werden.
Die Fluidmesseinrichtung 200 stellt somit eine komplette, eigenständige Messeinheit dar, die über den Fluideingang 16. den Fluidausgang 18 in eine fluidführende Anlage eingesetzt werden kann.
Es ist möglich, die Fluidmesseinrichtung 200 z.B. als Massendurchfluss-Regeleinheit zu betreiben, indem das Ventil 170 in Abhängigkeit von den mittels dem oder den Fluidmessmodul(en) 28 sowie dem oder den Analysemodul(en) 280 erfassten Werten den Durchfluss durch den Durchflusskanal 114 einstellt.
In dem hier gezeigten Beispiel ist die Durchflussrichtung D vom Fluideingang 16 zum Fluidausgang 18 gewählt. Am Übergang vom Fluideingang 16 zum Durchflusskanal 114 ist hier ein Strömungskonditionierungselement 220 angeordnet, das für eine gleichmäßigere Durchströmung des Durchflusskanals 114 sorgt, insbesondere wenn der Querschnitt des Fluideingangs 16 rund und der des Durchflusskanals 114 polygonal ist. Das Strömungskonditionierungselement 220 ist beispielsweise eine Platte mit einer Vielzahl von parallelen Fluiddurchlässen, wie dies in 12 angedeutet ist.
Neben der in den 11 bis 14 dargestellten rechteckigen Querschnittsformen des Durchflusskanals 114 mit vier an den Seiten ausgebildeten Modulaufnahmeöffnungen 24 sind auch andere polygonale Querschnittsformen, beispielsweise sechseckige oder achteckige Querschnitte, wie sie in den 16 und 17 dargestellt sind, denkbar. In diesem Fall kann an jeder der flachen Seiten des Gehäuses 212 eine Modulaufnahmeöffnung 24 ausgebildet sein, in die jeweils ein Fluidmessmodul 28, ein Analysemodul 280 oder ein Blinddeckel 176 eingesetzt sein können. Selbstverständlich ist es möglich, unterschiedliche Analysemodule 280 zur Messung unterschiedlicher Eigenschaften vorzusehen.
Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen lassen sich natürlich im Ermessen des Fachmanns frei miteinander kombinieren oder gegeneinander austauschen.

Claims

Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) mit einem Gehäuse (12; 112; 212), in dem ein Durchflusskanal (14; 114) für ein zu messendes Fluid sowie wenigstens eine langgestreckte Modulaufnahmeöffnung (24) ausgebildet sind, die einen Durchgang von einer Außenfläche (23) des Gehäuses (12; 112; 212) bis zum Durchflusskanal (14; 114) bildet, wobei die Modulaufnahmeöffnung (24) längs des Durchflusskanals (14; 114) ausgerichtet ist, und mit wenigstens einem separat vom Gehäuse (12; 112; 212) vorgefertigten Fluidmessmodul (28), das einen als Wellenleiter (34) für akustische Oberflächenwellen ausgebildeten Bodenabschnitt (30) aufweist sowie wenigstens einen Signalumformer (40), der dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter (34) anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) zu empfangen, wobei das Fluidmessmodul (28) so in die Modulaufnahmeöffnung (24) eingesetzt ist, dass der Bodenabschnitt (30) des Fluidmessmoduls (28) einen Abschnitt einer Innenwand des Durchflusskanals (14; 114) bildet, der in direkten Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, sodass vom Signalumformer (40) ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal (14; 114) ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen in den Wellenleiter (34) einkoppelbar und vom Signalumformer (40) empfangbar sind.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenabschnitt (30) des Fluidmessmoduls (28) auf seiner zum Durchflusskanal (14; 114) weisenden Außenseite (35) eben ausgebildet ist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal (14; 114) in Umfangsrichtung um eine Durchflussrichtung (D) geschlossen ist und im Bereich der Modulaufnahmeöffnung (24) einen polygonalen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal (14; 114) von einem Fluideingang (16) und von einem Fluidausgang (18) begrenzt ist und dass am Fluideingang (16) ein Konfusor (20) und/oder am Fluidausgang (18) ein Diffusor (22) vorgesehen ist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12; 112) zumindest eine weitere Modulaufnahmeöffnung (24) vorgesehen ist, die insbesondere auf einer der ersten Modulaufnahmeöffnung (24) gegenüberliegenden Seite des Durchflusskanals (14; 114) ausgebildet ist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die weitere Modulaufnahmeöffnung (24) ein Analysemodul (280) eingesetzt ist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysemodul (280) dazu ausgelegt ist, eine elektrische Leitfähigkeit, einen pH-Wert, eine Konzentration eines chemischen Stoffes, eine Trübung des Fluids, ein Redox-Potential des Fluids, eine Temperatur und/oder einen Druck zu messen.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die weitere Modulaufnahmeöffnung (24) ein zweites Fluidmessmodul (28) eingesetzt ist.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12) eine Ausnehmung (48) vorgesehen ist, die eine Kabeldurchführung (50) zur Modulaufnahmeöffnung (24) aufweist und durch die elektrische und/oder elektronische Anschlusskabel des Fluidmessmoduls (28) geführt sind.
Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (170) vorgesehen ist, über das eine Fluidströmung durch den Durchflusskanal (114) einstellbar ist, wobei das Gehäuse (112) Fluidleitkanäle (172, 174) zwischen dem Durchflusskanal (114) und dem Ventil (170) und zwischen dem Ventil (170) und dem Fluideingang (16) oder dem Fluidausgang (18) aufweist.
Fluidmessmodul (28), insbesondere Fluidmessmodul (28) einer Fluidmesseinrichtung (10; 100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Modulgehäuse (29), das einen als Wellenleiter (34) für akustische Oberflächenwellen ausgebildeten Bodenabschnitt (30) aufweist sowie mit wenigstens einem direkt mit dem Bodenabschnitt (30) verbundenen Signalumformer (40), der dazu ausgelegt ist, akustische Oberflächenwellen im Wellenleiter (34) anzuregen und/oder akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) zu empfangen, wobei der Wellenleiter (34) dazu ausgelegt ist, auf einer von einem Innenraum (44) des Modulgehäuses (29) abgewandten Außenseite (35) flächig in Kontakt mit einem Fluid gebracht zu werden.
Fluidmessmodul (28) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (29) ein wannenförmiges Gehäuseteil aufweist, das vom Bodenabschnitt (30) und einer umlaufenden Seitenwand (32) gebildet ist, wobei der wenigstens eine Signalumformer (40) innerhalb des wannenförmigen Gehäuseteils angeordnet ist.
Fluidmessmodul (28) nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalumformer (40) von einem Dämpfungselement (54) bedeckt ist.
Fluidmessmodul (28) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an den Signalumformer (40) über dem Wellenleiter (34) ein Bereich mit geringer Dämpfung (56) vorgesehen ist, der sich über eine Länge von wenigstens der ein- bis zwanzigfachen Wellenlänge der Oberflächenwellen erstreckt.
Fluidmessmodul (28) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Modulgehäuses (29) ein Temperatursensor (62) vorgesehen ist, der insbesondere direkt am Wellenleiter (34) angebracht ist.
Fluidmessmodul (28) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (34) in einem unterhalb des Signalumformers (40) und/oder unmittelbar an den Signalumformer (40) anschließenden ersten Bereich (60) eine kleinere Wandstärke (T₁) aufweist als in einem weiter vom Signalumformer (40) beabstandeten zweiten Bereich (58).
Fluidmessmodul (28) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (29) zumindest teilweise mit einer Vergussmasse verfüllt ist.
Baugruppe aus einem Gehäuse (12; 112; 212), in dem ein Durchflusskanal (14; 114) für ein zu messendes Fluid sowie wenigstens eine langgestreckte Modulaufnahmeöffnung (24) ausgebildet sind, die einen Durchgang von einer Außenfläche des Gehäuses bis zum Durchflusskanal (14; 114) bildet, wobei die Modulaufnahmeöffnung (24) längs des Durchflusskanals (14; 114) ausgerichtet ist, und wenigstens einem vom Gehäuse (12; 112; 212) separaten Fluidmessmodul (28) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Fluidmessmodul (28) so in die Modulaufnahmeöffnung (24) einsetzbar ist, dass der Bodenabschnitt (30) des Fluidmessmoduls (28) einen Abschnitt einer Innenwand des Durchflusskanals (14; 114) bildet, der in direkten Kontakt mit dem durchströmenden Fluid kommt, sodass vom Signalumformer (40) ausgesandte akustische Oberflächenwellen vom Wellenleiter (34) auskoppelbar sind und sich als akustische Volumenwellen durch das Fluid im Durchflusskanal (14; 114) ausbreiten können und/oder akustische Volumenwellen in den Wellenleiter (34) einkoppelbar und vom Signalumformer (40) empfangbar sind.