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Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Messgerät zur Messung von mindestens einer Eigenschaft eines in einem Messrohr befindlichen Mediums sowie ein Herstellungsverfahren eines Bauteils eines solchen Ultraschall-Messgeräts.
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Ultraschall-Messgeräte gibt es in vielen Varianten, so zeigt die
DE102018133066A1 ein Ultraschall-Messgerät, bei welchem ein Messrohr mit rechteckigem Querschnitt abschnittsweise eine flach ausgestaltete Wandung aufweist, auf welcher Ultraschallwandler angeordnet sind. Eine solche Umsetzung hat den Nachteil, dass die Wandung im flach ausgestalteten Bereich sehr sensibel auf hohe Mediendrücke reagiert und sich wölbt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschall-Messgerät vorzuschlagen, welches auch bei hohen Mediendrücken einsatzfähig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 14.
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Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät nach dem Laufzeit- oder Laufzeitdifferenzenprinzip zur Messung von mindestens einer Eigenschaft eines in einem Messrohr befindlichen Mediums umfasst:
- Das Messrohr mit einer Messrohrwandung und einem Messrohrlumen;
- wobei die Messrohrwandung zumindest einen akustischen Bereich mit jeweils zumindest einem Koppelbereich aufweist, in welchem die Messrohrwandung flach ist und eine konstante erste Wandstärke aufweist, welche erste Wandstärke geringer ist als eine Wandstärke in einer Umgebung des akustischen Bereichs, wobei der akustische Bereich dazu eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise zu Lambschwingungen angeregt zu werden;
- Mindestens einen Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallwandler jeweils in einem Koppelbereich angeordnet sind, wobei der Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, in dem jeweiligen Koppelbereich Lambschwingungen anzuregen bzw. Lambschwingungen zu detektieren,
- eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Erstellen und Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft des Mediums,
- wobei eine Stützvorrichtung dazu eingerichtet ist, den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise gegen Mediendruck zu stützen, wobei zumindest ein Stützkörper dazu eingerichtet ist, durch Mediendruck erzeugte Kräfte aufzunehmen,
- wobei der Stützkörper zumindest eine Entkopplungsvorrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Ultraschalleinkopplung von zumindest einem zugehörigen akustischen Bereich in den Stützkörper und umgekehrt zu vermindern.
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Ein Stützkörper ohne Entkopplungsvorrichtung würde die Ausbreitung der Lambschwingungen im akustischen Bereich der Messrohrwandung störend beeinflussen, da diese Schwingungen in nicht vernachlässigbarer Weise in den Stützkörper einträten. Umgekehrt könnten auch Ultraschallschwingungen über den Stützkörper in den akustischen Bereich übertreten. Die Entkopplungsvorrichtung gewährleistet daher auch unter hohem Mediendruck ein gutes Funktionieren des Ultraschall-Messgeräts.
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Das Ultraschall-Messgerät ist dabei dazu eingerichtet zumindest einer der folgenden Messgrößen zu messen:
- eine Ultraschall-Signallaufzeit, eine Ultraschall-Signallaufzeit-Differenz zwischen Ultraschallwandlern eines Ultraschallwandlerpaars, eine Ultraschall-Signal-Dopplerverschiebung oder Ultraschallsignalamplitude,
- und daraus Messwerte für die mindestens eine Medieneigenschaft herzuleiten.
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Aus der Signallaufzeit bzw. Signallaufzeitdifferenz lassen sich beispielsweise Größen wie Durchflussgeschwindigkeit oder Schallgeschwindigkeit des Mediums bestimmen. Aus der Amplitude lässt sich beispielsweise eine akustische Impedanz des Mediums herleiten. Aus der Ultraschall-Signal-Dopplerverschiebung lässt sich beispielsweise ebenfalls eine Durchflussgeschwindigkeit bestimmen.
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In einer Ausgestaltung umgreift der Stützkörper das Messrohr in zumindest einem Querschnitt einen akustischen Bereich und überdeckt den akustischen Bereich zumindest abschnittsweise.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Entkopplungsvorrichtung eine Dämpfungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in den Stützkörper eindringenden Ultraschall bzw. aus dem Stützkörper in akustischen Bereich übertretenden Ultraschall zu dämpfen.
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In einer Ausgestaltung weist die Dämpfungsvorrichtung Hohlräume auf, welche beispielsweise mit einem Gas wie beispielsweise Luft gefüllt sind.
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In einer Ausgestaltung weist eine Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung eine unebene Kontur auf und bietet Stützpunkte bzw. Stützlinien bzw. Stützflächen.
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In einer Ausgestaltung ist das Ultraschall-Messgerät dazu geeignet, eine Messung von Medieneigenschaften bei Mediendrücken bis mindestens 25 bar, und insbesondere mindestens 51 bar und bevorzugt mindestens 68 bar durchzuführen.
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In einer Ausgestaltung sind die Ultraschallwandler Interdigitalwandler.
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In einer Ausgestaltung sind die Interdigitalwandler von einem Stützkörper überdeckt.
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In einer Ausgestaltung ist zwischen Stützkörper und Interdigitalwandler ein Dämpfungselement angeordnet, wobei der Stützkörper dazu eingerichtet ist, das Dämpfungselement gegen den Interdigitalwandler zu pressen.
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In einer Ausgestaltung weist der Stützkörper ein Stützelement auf, wobei die Entkopplungsvorrichtung als ein Entkopplungselement ausgebildet ist,
wobei das Stützelement eine Aufnahme für das Entkopplungselement aufweist, in welcher das Entkopplungselement angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung ist die Stützvorrichtung vom Messrohr getragen.
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In einer Ausgestaltung ist das Stützelement bzw. der Stützkörper mehrteilig, wobei einzelne Teile lösbar miteinander befestigt sind.
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In einer Ausgestaltung weist das Messgerät zumindest ein Paar Ultraschallwandler auf, welche jeweils in einem Koppelbereich angeordnet sind.
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Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Laufzeitdifferenzmessung bzw. eine darauf basierende Durchflussmessung durchführen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stützkörpers eines Ultraschallmessgeräts nach einem der vorigen Ansprüche,
wird der Stützkörper durch Vergießen hergestellt wird, wobei Gusswerkzeuge am Messrohr angelegt werden.
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In einer Ausgestaltung wird vor Vergießen des Stützkörpers ein Entkopplungselement in einem akustischen Bereich fixiert und durch das Vergießen im Verguss eingeschlossen wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
- 1 zeigt eine Schrägansicht auf ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät;
- 2 zeigt eine Seitenansicht auf ein Messrohr des erfinderischen Ultraschall-Messgeräts mit einem teilweisen Aufschnitt;
- 3 zeigt eine Detailansicht des Aufschnitts;
- 4.1 zeigt eine Schrägansicht auf eine beispielhafte Ausgestaltung eines Messrohrs eines erfinderischen Ultraschall-Messgeräts;
- 4.2 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Stützkörper;
- 4.3 zeigt eine Schrägansicht auf ein Bauteil des in 4.1 und 4.2 gezeigten Stützkörpers;
- 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stützkörpers;
- 6 zeigt eine Schrägansicht auf eine alternative Ausgestaltung des in 4.3 gezeigten Bauteils des Stützkörpers;
- 7.1 und 7.2 skizzieren zwei beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungsmöglichkeiten des Stützkörpers;
- 8.1 und 8.2 skizzieren ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, bei welchem der Stützkörper um das Messrohr herum angegossen wird.
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1 zeigt eine Schrägansicht auf ein Ultraschall-Messgerät, welches ein Messrohr 10, ein Gehäuse 50 und eine im Gehäuse angeordnete elektronische Mess-/Betriebsschaltung 30 aufweist. Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung ist zum Betreiben von Ultraschallwandlern (siehe 4.1) des Ultraschall-Messgeräts und zum Erstellen und Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft des Mediums eingerichtet.
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2 zeigt eine Seitenansicht auf das in 1 gezeigte Messrohr 10 mit teilweisem Aufschnitt, wobei das Messrohr eine Messrohrwandung 11 mit einem akustischen Bereich 11.1 und ein das Medium fassende Messrohrlumen aufweist, Im akustischen Bereich ist die Messrohrwandung flach ist und weist eine konstante erste Wandstärke auf, welche erste Wandstärke geringer ist als eine Wandstärke in einer Umgebung des akustischen Bereichs, wobei der akustische Bereich dazu eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise zu Lambschwingungen angeregt zu werden. Ein Messrohr kann auch mehr als einen akustischen Bereich aufweisen, wobei jedem akustischen Bereich zumindest ein Ultraschalwandler zugeordnet ist.
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Die Wandstärke des akustischen Bereichs hängt dabei von Materialeigenschaften des Messrohrs sowie von der Frequenz bzw. einem Frequenzbereich der von den Ultraschallwandlern erzeugten Ultraschallsignale ab. Bei Stahl beispielsweise gilt, dass bei einer Zentralfrequenz der Ultraschallsignale von 1.5 MHz die Wandstärke im Bereich von 1 Millimeter ist. Bei 0.5 MHz sind es ungefähr 3 Milimeter. Der Fachmann ist in der Lage dies auf seine eigene Umsetzung zu übertragen.
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3 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des in 2 gezeigten Aufschnitts des Messrohrs.
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4.1 zeigt eine Schrägansicht auf eine beispielhafte Ausgestaltung eines Messrohrs eines erfinderischen Ultraschall-Messgeräts, wobei das Messrohr zwei akustische Bereiche 11.1 mit jeweils einem Paar Ultraschallwandlern 20 aufweist, welche wie hier schematisch skizziert als Interdigitalwandler 21 ausgebildet sein können. Die Ultraschallwandler können beispielsweise aber auch jeweils ein Koppelelement und ein Wandlerelement aufweisen, wie in der
DE102018133066A1 schematisch skizziert.
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Die Ultraschallwandler sind jeweils in einem Koppelbereich 11.11 eines zugehörigen akustischen Bereichs 11.1 angeordnet und dazu eingerichtet in den jeweiligen Koppelbereichen Lambschwingungen zu erzeugen bzw. Lambschwingungen zu detektieren. Mittels der Lambschwingungen werden dabei Ultraschallsignale in das Medium eingekoppelt, bzw. aus dem Medium ausgekoppelt. Durch eine Beeinflussung der Ultraschallsignale durch das Medium können durch Auswertung detektierter Lambschwingungen Medieneigenschaften bestimmt werden. Beispielsweise kann aus einer Laufzeitdifferenz eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder Schallgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden. Aus der Schallgeschwindigkeit können weitere Medieneigenschaften abgeleitet werden.
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Eine Stützvorrichtung 40 umfassend einen Stützkörper 41 ist dazu eingerichtet, die akustischen Bereiche gegen hohen Mediendruck zu stützen, so dass auch bei solchen Mediendrücken ein sicherer Betrieb des Ultraschall-Messgeräts gewährleistet ist.
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Alternativ kann ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät nur einen Ultraschallwandler aufweisen, wobei eine Messung einer Ultraschall-Signal-Dopplerverschiebung oder eine Signallaufzeit zur Messung von einer Medieneigenschaft verwendet wird.
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4.2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den in 4.1 gezeigten Stützkörper, wobei der Stützkörper auf der Messrohrwandung 11 im Bereich der akustischen Bereiche 11.1 aufliegt. Anschlagflächen 14 des Messrohrs bieten dem Stützkörper einen Halt für genaue Positionierbarkeit. Wie hier dargestellt, kann der Stützkörper zweiteilig ausgestaltet sein, so dass sich der Stützkörper einfach am Messrohr beispielsweise wie angedeutet mittels einer Verschraubung montiert werden kann. Der Stützkörper kann dabei aus einem Kohlenstoffstahl oder einem Edelstahl hergestellt sein. Beispielsweise können einzelne Teile bearbeitete Gussbauteile sein.
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Alternativ wie in 8.1 und 8.1 gezeigt, kann der Stützkörper auch durch Verguss am Messrohr montiert / angebracht werden. In den Auflagebereichen weist der Stützkörper jeweils eine Entkopplungsvorrichtung 42 auf, welche dazu eingerichtet ist, eine akustische Kopplung zwischen dem akustischen Bereich des Messrohrs sowie dem Stützkörper zu vermindern. Auf konkrete beispielhafte Ausgestaltungen dieser Entkopplungsvorrichtungen wird in 5, 6, sowie 7.1 und 7.2 eingegangen.
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4.3 zeigt eine Schrägansicht auf ein in 4.2 gezeigtes Teil des Stützkörpers, welcher eine Anschlagfläche 41.2 für eine Anschlagfläche 14 des Messrohrs bietet.
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5 skizziert eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung der Entkopplungsvorrichtung 42 anhand eines Querschnitts durch den Stützkörper 41, wobei der Stützkörper ein Stützelement 41.1 mit zwei Aufnahmen 41.11 sowie eine Entkopplungsvorrichtung 42 in Form einer Dämpfungsvorrichtung 42.1 aufweist. Die Dämpfungsvorrichtung kann beispielsweise wie hier dargestellt eine in jeweils einer Aufnahme angeordnete akustisch dämpfende Einlage sein. Diese Einlage kann beispielsweise fest sein und mittels des Stützelements gegen das Messrohr gedrückt sein. Beispielsweise kann die Einlage zumindest eines der folgenden Materialen umfassen: PTFE, Graphit, Epoxydharz, Epoxyharz beispielsweise mit Metall-/Metalloxidpulver gemischt, CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff), Polyurethan, Kork. Die Einlage kann aber auch eine Paste oder ein Gel aufweisen. Beispielsweise kann eine der in 5 entsprechende Ausgestaltung des Stützkörpers auch bei Interdigitalwandlern eingesetzt werden, wobei der Stützkörper dazu eingerichtet ist, die Dämpfungsvorrichtung gegen den Interdigitalwandler zu pressen.
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6 zeigt eine Schrägansicht auf ein in 4.2 gezeigtes Teil des Stützkörpers mit einer beispielhaften Ausgestaltung der Entkopplungsvorrichtung 42, welche durch eine Dämpfungsvorrichtung 42.1 mit einer Vielzahl von Hohlräumen 42.11 wie beispielsweise Bohrungen bzw. Löchern ausgestattet ist, welche Hohlräume in räumlicher Nähe zu einem Kontaktbereich mit dem akustischen Bereich angeordnet sind. Die Hohlräume streuen und brechen Ultraschallwellen, so dass nur wenig koheränte Ultraschallenergie zwischen Messrohr und Stützkörper ausgetauscht werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung im Kontaktbereich mit dem Messrohr wie in 7.1 und 7.2 gezeigt strukturiert sein, und somit einen Austausch von Ultraschallwellen zwischen Stützkörper und akustischem Bereich des Messrohrs zu vermindern. Die Oberfläche kann wie dargestellt eine Vielzahl von pyramidischen oder zylindrischen Vorsprüngen aufweisen, welche beispielsweise regelmäßig angeordnet sind. Durch Reduktion der Kontakte auf Punkte oder Linien oder kleine Flächen kann der Austausch von Ultraschallwellen gut vermindert werden. Die Oberfläche kann beispielsweise durch Fräsen oder selektiven Materialauftrag oder ähnlichen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Die Herstellung der hier dargestellten Stützkörper bzw. Teil des Stützkörpers geschieht beispielsweise zumindest teilweise durch Fräsen, Bohren oder auch selektivem Materialauftrag wie beispielsweise 3D-Druck oder Laserschmelzen. Die hier dargestellten Stützkörper sind nicht einschränkend auszulegen. Der Fachmann kann den erfinderischen Gedanken der akustischen Entkopplung zwischen Stützkörper und Messrohr an seine Bedürfnisse anpassen. Dies gilt auch im Hinblick auf Anzahl und Anordnung der Stützkörper am Messrohr.
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8.1 und 8.2 skizzieren eine beispielhafte Ausgestaltung eines einteiligen Stützkörpers 41, welcher mittels Vergießen am Messrohr angebracht wird. Wie im Querschnitt in 8.2 gezeigt, werden dabei beim Herstellen verschiedene Gussformen 60 angelegt, welche einen den Stützkörper definierenden Hohlraum freilassen, welcher durch ein Gussmaterial gefüllt wird. Das Gussmaterial wirkt dabei bevorzugt akustisch dämpfend, wie beispielsweise ein Aluminiumschaum oder ein Epoxydharz oder ähnliches. Die Gussformen können dabei beispielsweise von einem Haltering 61 gehalten werden. Nach Gießen hervorstehende Angusstrichter bzw. Gussüberläufe (wie dargestellt) werden nach Aushärten des Vergusses entfernt.
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Der Fachmann hat im Hinblick auf Anzahl und Anordnung der Stützkörper am Messrohr freie Wahl. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend auszulegen.
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Durch Einrichten einer erfindungsgemäßen Stützvorrichtung ist das Ultraschall-Messgerät dazu geeignet, eine Messung von Medieneigenschaften bei Mediendrücken bis mindestens 25 bar, und insbesondere mindestens 51 bar und bevorzugt mindestens 68 bar durchzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschall-Messgerät
- 10
- Messrohr
- 11
- Messrohrwandung
- 11.1
- akustischer Bereich
- 11.11
- Koppelbereich
- 12
- Messrohrlumen
- 14
- Anschlagfläche
- 20
- Ultraschallwandler
- 21
- Interdigitalwandler
- 30
- elektronische Mess-/Betriebsschaltung
- 40
- Stützvorrichtung
- 41
- Stützkörper
- 41.1
- Stützelement
- 41.11
- Aufnahme
- 41.2
- Anschlagsfläche
- 42
- Entkopplungsvorrichtung
- 42.1
- Dämpfungsvorrichtung
- 42.11
- Hohlräume
- 42.2
- Oberfläche der Entkopplungsvorrichtung
- 43
- Entkopplungselement
- 44
- Teil
- 50
- Gehäuse
- 60
- Gussform
- 61
- Haltering
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018133066 A1 [0002, 0029]
