DE102020128447A1

DE102020128447A1 - Messeinrichtung mit Wellenleiter

Info

Publication number: DE102020128447A1
Application number: DE102020128447.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Benkert; Michael Mayle; Thomas Sturm; Hans Salfner; Claus Zellner; Andreas Seifert; Hans-Michael Sonnenberg
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Messeinrichtung (1) zur Ermittlung einer Fluidgröße mit einem ersten Gehäuseteil (2) und zwei Ultraschallwandlern (4, 4', 5, 5'), wobei das erste Gehäuseteil (2) einen Messkanal (6) ausbildet, der abgesehen von wenigstens einer Messöffnung (9, 42, 43) fluiddicht ist, wobei die Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') beide mit einem oder jeweils mit einem jeweiligen Wellenleiter (10, 38, 39) schwingungsgekoppelt sind, wobei der oder die Wellenleiter (10, 38, 39) durch ein zweites Gehäuseteil (11) gehaltert und/oder mit dem ersten Gehäuseteil (2) vernietet oder verschraubt ist oder sind, sodass die Messöffnung (9, 42, 43) fluiddicht verschlossen ist, wobei der oder der jeweilige gesamte Wellenleiter (10, 38, 39) oder zumindest jener Abschnitt (51) des oder des jeweiligen Wellenleiters (10, 28, 29), durch den der Messkanal (6) begrenzt wird, durch eine ebene Platte mit konstanter Dicke (56) gebildet ist, wobei der oder die Wellenleiter (10, 38, 39) aus einem anderen Material gebildet ist oder sind als das erste Gehäuseteil (2), wobei eine Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') derart anzusteuern, dass er eine geführte Welle (14) derart anregt, dass sie zu dem jeweils anderen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') geführt wird, und die Schwingung des jeweils anderen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') betreffende Messdaten zu erfassen und die Fluidgröße in Abhängigkeit dieser Messdaten zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, insbesondere einen Durchflusszähler, zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße.
Eine Möglichkeit, einen Durchfluss durch ein Messrohr zu messen, sind Ultraschallzähler. Bei diesen wird ein Ultraschallwandler genutzt, um eine Ultraschallwelle in das durch das Messrohr strömende Fluid einzukoppeln, wobei diese auf einem geraden Weg oder nach mehreren Reflexionen an Wänden oder speziellen Reflexionselementen zu einem zweiten Ultraschallwandler geführt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern bzw. aus einem Laufzeitunterschied bei einer Vertauschung von Sender und Empfänger kann eine Durchflussgeschwindigkeit für das Medium und somit bei bekanntem Rohrquerschnitt ein Durchflussvolumen bestimmt werden.
Bei Ultraschallzählern soll nach Möglichkeit eine weitgehende Unabhängigkeit der Messung von der exakten Form des Strömungsprofils erreicht werden. Zudem soll nach Möglichkeit auf Elemente im Strömungsraum wie Reflektoren, Elemente zur Strömungskonditionierung, Siebe und Ähnliches verzichtet werden, wodurch erreicht werden kann, dass der Zähler weitgehend unanfällig gegenüber eingebrachten Partikeln und gegenüber fasrigen Rückständen von Dichtungsmaterial ist. Ein bekannter Ansatz hierfür ist es, Ultraschallwellen nicht unmittelbar in das Fluid einzukoppeln, sondern zunächst geführte Wellen, insbesondere Lamb-Wellen, in der Wand eines Messrohres anzuregen, wonach durch diese wiederum gewinkelt zur Messrohrwand Kompressionswellen in das Fluid abgestrahlt werden. Da die Signale diagonal zu dem Wandabschnitt des Messkanals gesendet bzw. von dort empfangen werden, kann auf weitere Reflektoren verzichtet werden. Zudem können Ultraschallwandler außen am Messrohr angeordnet werden, womit der Strömungsraum auch vollständig frei bleiben kann.
Nachteilig an dem beschriebenen Vorgehen ist es, dass zur Nutzung von geführten Wellen typischerweise Messrohre aus Metall erforderlich sind. Eine Herstellung von Messrohren aus Metall ist jedoch, insbesondere dann, wenn eine komplexere Strömungsführung gewünscht ist, beispielsweise wenn ein rechteckiges Messrohr mit runden Anschlüssen und einer geeigneten Strömungsführung bereitgestellt werden soll, relativ teuer und zeitaufwendig. Daher wäre es in vielen Fällen vorteilhaft, Messrohre aus Kunststoff zu nutzen, da diese durch Spritzguss, 3D-Druck oder Ähnliches mit relativ geringem Aufwand flexibel gestaltet werden können.
Kunststoffmessrohre sind zur Führung von Lamb-Wellen jedoch nur sehr eingeschränkt geeignet. Zum einen weisen sie typischerweise einen hohen Dämpfungskoeffizienten auf. Zum anderen ist es für eine modenselektive Anregung vorteilhaft, wenn nur die niedrigste antisymmetrische und symmetrische Lamb-Mode angeregt werden kann, wobei gleichzeitig für die beschriebene Messung erforderlich ist, dass Kompressionswellen ins Fluid abgestrahlt werden können. Zum Erreichen dieser Randbedingungen ist es bei Kunststoffrohren jedoch typischerweise erforderlich, sehr dünne Materialstärken von weniger als einem Millimeter zu verwenden, die für viele Anwendungsfälle schlicht nicht geeignet sind. Alternativ müssten Frequenzen genutzt werden, die deutlich unterhalb von einem Megahertz liegen und somit merklich unterhalb der Frequenzen, die für übliche Ultraschallmessungen genutzt werden. Dies kann eine aufwendige Anpassung der Messelektronik erfordern und zudem die erreichbaren Messgeschwindigkeiten reduzieren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Messeinrichtung anzugeben, die insbesondere gegenüber der Nutzung von Metallrohren eine flexiblere Gestaltung der Messkanalgeometrie ermöglicht bzw. Kosten reduzieren kann, wobei zugleich die erläuterten Nachteile von Kunststoffrohren zumindest weitgehend vermieden werden sollen.
Die Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung, insbesondere einen Durchflusszähler, zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße, insbesondere eines Durchflussvolumens, gelöst, mit einem ersten Gehäuseteil, einer Steuereinrichtung und zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallwandlern, wobei das erste Gehäuseteil einen Messkanal ausbildet, der sich in eine Längsrichtung von einem Fluidzufluss zu einem Fluidabfluss erstreckt und der abgesehen von wenigstens einer Messöffnung fluiddicht ist, wobei die Ultraschallwandler beide mit einem oder jeweils mit einem jeweiligen Wellenleiter der Messeinrichtung schwingungsgekoppelt sind, wobei der oder die Wellenleiter durch ein zweites Gehäuseteil der Messeinrichtung gehaltert und/oder mit dem ersten Gehäuseteil vernietet oder verschraubt ist oder sind, sodass die wenigstens eine Messöffnung durch den oder die Wellenleiter und/oder das zweite Gehäuseteil fluiddicht verschlossen ist, wobei der oder der jeweilige gesamte Wellenleiter oder zumindest jener Abschnitt des oder des jeweiligen Wellenleiters, durch den der Messkanal begrenzt wird, durch eine in Längsrichtung ebene oder in alle Richtungen ebene Platte mit konstanter Dicke gebildet ist, wobei der oder die Wellenleiter aus einem anderen Material gebildet ist oder sind als das erste Gehäuseteil, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens einen der Ultraschallwandler derart anzusteuern, dass er eine geführte Welle derart anregt, dass sie sich innerhalb des oder des jeweiligen Wellenleiters parallel zu der Längsrichtung ausbreitet und hierbei eine Kompressionswelle im Fluid anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen der Ultraschallwandler geführt wird, um diesen zu Schwingungen anzuregen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schwingung des jeweils anderen der Ultraschallwandler betreffende Messdaten zu erfassen und die Fluidgröße in Abhängigkeit dieser Messdaten zu ermitteln.
Es wird somit vorgeschlagen, Komponenten aus unterschiedlichen Materialien zu nutzen, um den Messkanal zu begrenzen. Jene Teile der Messkanalwand, die geführte Wellen führen sollen, können beispielsweise aus Metall oder anderen gut zur Wellenleitung geeigneten Materialien gebildet sein. Die verbleibenden Wandabschnitte können aus leichter verarbeitbaren Materialien, beispielsweise aus einem Kunststoff, hergestellt werden. Hierdurch können die obig genannten Nachteile für die Nutzung von Messkanälen, die vollständig aus Metall oder Kunststoff bestehen, vermieden werden. Ergänzend wird der Vorteil erreicht, dass der Wellenleiter und das umgebende Material, insbesondere das Material des ersten bzw. zweiten Gehäuseteils, deutliche unterschiedliche Impedanzen bezüglich der Schallführung aufweisen, sodass kaum Schallenergie der geführten Welle auf das erste bzw. zweite Gehäuseteil übertragen wird und somit eine Schallführung im Wesentlichen ausschließlich innerhalb des Wellenleiters erreicht werden kann.
Die Halterung des Wellenleiters durch das zweite Gehäuseteil kann dadurch realisiert werden, dass der Wellenleiter gemeinsam durch das erste und zweite Gehäuseteil geklemmt wird. Beispielsweise kann der Wellenleiter im Bereich der Messöffnung auf dem ersten Gehäuseteil bzw. auf einer zwischen dem Wellenleiter und dem ersten Gehäuseteil angeordneten Dichtung aufliegen und der zweite Gehäuseteil kann mit dem ersten Gehäuseteil verrastet oder verschraubt oder vernietet werden oder anderweitig verbunden werden, beispielsweise mit einem Metallbügel, einem Kabelbinder oder Ähnlichem, sodass er den Wellenleiter gegen den ersten Gehäuseteil bzw. die Dichtung presst. Alternativ oder ergänzend kann der Wellenleiter an dem zweiten Gehäuseteil befestigt, beispielsweise an diesem angeschraubt, angenietet, oder angeklebt, sein.
Eine Ebene Platte mit konstanter Dicke ermöglicht einen besonders guten Transport der geführten Welle und vermeidet insbesondere Reflektionen und eine Veränderung des Dispersionsverhaltens innerhalb des Wellenleiters bzw. des als Messkanalbegrenzung dienenden Teils des Wellenleiters. Zudem ist eine solche ebene Platte besonders einfach, beispielsweise durch ein Stanzen, herstellbar. Beispielsweise können der Wellenleiter und/oder das später noch erläuterte Reflexionselement durch ein Blechstanzen mit geringem Aufwand hergestellt werden.
Unter einer ebenen Platte ist vorliegend eine Platte zu verstehen, die in die Längsrichtung bzw. in alle Richtungen im Wesentlichen geradlinig verläuft, jedoch, insbesondere aufgrund von Bauteiltoleranzen bzw. Toleranzen des Herstellungsverfahrens, eine geringfügige Krümmung aufweisen kann. Beispielsweise kann der Biegeradius des Wellenleiters in Längsrichtung bzw. in alle Richtungen näherungsweise unendlich sein, z.B. zumindest 10-mal oder 100-mal oder 1000-mal größer als der Durchmesser des Messkanals. Außerhalb des messkanalbegrenzenden Abschnitts ist es z.B. auch möglich, dass der Wellenleiter bzw. der jeweilige Wellenleiter in Längsrichtung des Messkanals gekrümmt ist, womit ein gekrümmter Ausbreitungspfad der geführten Welle resultieren würde. Entsprechend ist unter einer Platte konstanter Dicke eine Platte zu verstehen, deren Dicke nur geringfügig, z.B. aufgrund von Toleranzen, variiert. Beispielsweise kann die Dicke des Wellenleiters bzw. des Abschnitts um weniger als 10% oder vorzugsweise um weniger als 5% variieren. Die Dicke des Wellenleiters ist insbesondere seine Abmessung senkrecht zu einer Kontaktfläche, die das Fluid kontaktiert bzw. den Messkanal begrenzt.
Eine Kontaktfläche des oder des jeweiligen Wellenleiters kann einen Abschnitt der Innenfläche des Messkanals bilden. Hierbei ist es insbesondere möglich, dass die Kontaktfläche die einzige Fläche des Wellenleiters ist, die bei einem Betrieb der Messeinrichtung das Fluid kontaktiert. Hierdurch kann die von der Kontaktfläche abgewandte Fläche des Wellenleiters trocken liegen, wodurch insbesondere auf eine elektrische Isolation der Ultraschallwandler verzichtet werden kann bzw. eine relativ einfache Isolation verwendet werden kann, wenn die Ultraschallwandler auf der von der Kontaktfläche abgewandten Seite des Wellenleiters angeordnet sind. Zumindest jener Abschnitt des Wellenleiters, der eine solche Kontaktfläche ausbildet, kann als ebene Platte mit konstanter Dicke ausgebildet sein. Wenigstens ein von der Kontaktfläche beabstandeter Abschnitt des Wellenleiters, der insbesondere das Fluid nicht kontaktiert, kann gekrümmt sein, beispielsweise um den Wellenleiter am zweiten Gehäuseteil zu befestigen.
Es ist jedoch auch möglich, dass wenigstens einer der Ultraschallwandler zumindest Abschnittsweise in einem fluidisch mit dem Messkanal verbundenen Bereich liegt. In diesem Fall können die Ultraschallwandler insbesondere von dem Fluid umspült werden, sodass, soweit leitfähiges Fluid verwendet wird, eine elektrische Isolation der Ultraschallwandler selbst bzw. von zumindest einer ihrer Elektroden erforderlich ist. Eine Abdichtung zum Schutz der Steuereinrichtung vor dem Fluid kann in diesem Fall beispielsweise erst an einer Kabeldurchführung von Signalleitungen der Ultraschallwandler durch den zweiten Gehäuseteil oder einen weiteren Gehäuseteil zu der Steuereinrichtung erfolgt. In diesem Fall kann vorzugsweise der gesamte Wellenleiter als ebene Platte mit konstanter Dicke ausgebildet sein.
Die Ultraschallwandler sind vorzugsweise an dem Wellenleiter bzw. der jeweilige Ultraschallwandler ist vorzugsweise an dem jeweiligen Wellenleiter befestigt, also zum Beispiel mit diesem verklebt. Beispielsweise kann der jeweilige Ultraschallwandler in einem Hohl- bzw. Zwischenraum zwischen dem bzw. dem jeweiligen Wellenleiter und dem zweiten Gehäuseteil angeordnet sein. Der Zwischenraum kann gegenüber dem Messkanal und/oder gegenüber der Umgebung abgeschlossen, insbesondere fluiddicht abgeschlossen, sein. Insbesondere kann somit ein Sensormodul bereitgestellt werden, das den bzw. die Wellenleiter mit daran angeordneten Ultraschallwandler und optional die Signalleitungen die Ultraschallwandler umfasst. Dieses Sensormodul kann beispielsweise für verschiedene Messgeometrien genutzt werden, indem für die verschiedenen Messgeometrien ein entsprechendes erstes und optional zweites Gehäuseteil bereitgestellt wird, das bzw. die dieses Sensormodul aufnimmt bzw. aufnehmen. Die Signalleitungen können Steuersignale von der Steuereinrichtung zu dem jeweiligen Ultraschallwandler führen und/oder Messsignale von dem jeweiligen Ultraschallwandler zu der Steuereinrichtung. Optional kann ein solches Sensormodul bereits Mess- bzw. Steuerelektronik für die Ultraschallwandler umfassen. Hierbei kann z.B. die Steuereinrichtung in das Sensormodul integriert sein oder die integrierte Elektronik kann nur zur Signalkonditionierung dienen. Im Rahmen der Herstellung der Messeinrichtung kann das Sensormodul als vorgefertigte Komponente an dem ersten Gehäuseteil angebracht werden.
Die Messeinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die geführte Welle modenselektiv, insbesondere im Wesentlichen modenrein, anzuregen. Beispielsweise kann die Amplitude einer gewünschten Schwingungsmode wenigstens um den Faktor 5 oder 10 größer sein, als die Amplitude einer nicht gewünschten Schwingungsmode, insbesondere jener Schwingungsmode mit der nächsthöheren Amplitude. Verschiedene Ansätze hierfür werden später noch erläutert werden. Es kann insbesondere wenigstens eine Schwingungsmode einer Lamb-Welle angeregt werden.
Unter einer Führung der Kompressionswelle zum jeweils anderen der Ultraschallwandler sind neben einer direkten Anregung der Schwingungen des anderen Ultraschallwandlers Übertragungswege zu verstehen, bei denen die Kompressionswelle vorangehend in andere Wellen umgesetzt wird, beispielsweise bei denen zunächst die Kompressionswelle eine weitere geführte Welle in dem Wellenleiter, an dem der andere Ultraschallwandler angeordnet ist, anregt, die wiederum den anderen Ultraschallwandler zu Schwingungen anregt. Es sind auch mehrere Umsetzungen zwischen Wellenarten möglich, beispielsweise wenn statt einer reinen Reflexion an einer Seitenwand des Messkanals die Reflexion über eine Umsetzung der Kompressionswelle in eine geführte Welle, die wiederum eine weitere Kompressionswelle auslöst, erfolgt. Dies wird später noch genauer erläutert werden.
Soweit in dieser Beschreibung bzw. den Ansprüchen bestimmte relative Ausrichtungen, also beispielsweise eine parallele oder senkrechte Lage, diskutiert werden, können hierbei Abweichungen um bis zu 5° oder bis zu 3° oder bis zu 1° auftreten, beispielsweise aufgrund von Bauteiltoleranzen oder Ähnlichem.
Es kann voreilhaft sein, wenn der Wellenleiter und/oder der zweite Gehäuseteil nur auf dem ersten Gehäuseteil aufliegen, also insbesondere nicht zwischen zwei durch den ersten Gehäuseteil gebildete Seitenwände des Messkanals eingreifen. Hierdurch kann z.B. eine Verengung des Messkanals oder eine Verwirbelung des Fluids durch in den Messkanal eingreifende Teile des zweiten Gehäuseteils oder des Wellenleiters vermieden werden.
Der Wellenleiter kann aus Metall, Keramik oder Glas bestehen. Die genannten Materialien erlauben eine Führung von geführten Wellen, insbesondere von Lamb-Wellen, mit geringer Dämpfung und ermöglichen zudem typischerweise ein gewünschtes Anregungsverhalten, also beispielsweise das Vorhandensein von nur genau einer antisymmetrischen und genau einer symmetrischen Schwingungsmode bei gleichzeitiger Möglichkeit, Kompressionswellen in das Fluid abzustrahlen zu können, bei geeigneten Wanddicken und Anregungsfrequenzen. Als Metall kann beispielsweise Edelstahl, Messing oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden. Der Wellenleiter kann insbesondere als Blech oder anderes Formteil hergestellt sein. Als Glas kann insbesondere ein anorganisches nichtmetallisches Glas, beispielsweise ein Silikatglas, verwendet werden.
Der erste Gehäuseteil kann aus Kunststoff, insbesondere aus einem mit wenigstens einem Füllstoff beladenen Kunststoff, gebildet sein und/oder durch Guss, Spritzguss oder 3D-Druck hergestellt sein. Als Füllstoff können Partikel oder Fasern verwendet werden. Geeignete Partikel können beispielsweise aus Glas, Keramik oder Metall bestehen. Fasern können beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern oder auch Naturfasern sein. Um eine weitere Versteifung zu erreichen, kann beispielsweise eine Verstärkung durch einen Metallbügel oder Ähnliches erfolgen. Die genannten Materialien und Herstellungsverfahren können auch für das zweite Gehäuseteil verwendet werden. Insbesondere können das erste und zweite Gehäuseteil aus dem gleichen Material und/oder mit dem gleichen Herstellungsverfahren hergestellt sein.
Die Steuereinrichtung kann in einem Trockenvolumen angeordnet sein, das gegenüber dem Messkanal und/oder der Umgebung der Messeinrichtung fluiddicht abgedichtet ist, wobei das Trockenvolumen zumindest abschnittsweise durch das zweite Gehäuseteil oder durch ein durch das zweite Gehäuseteil getragenes weiteres Gehäuseteil gebildet ist. Das Trockenvolumen kann zusätzlich eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise ein Display, und/oder wenigstens ein Bedienelement und/oder eine Kommunikationseinrichtung und zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikation mit weiteren Einrichtungen umfassen.
Die Steuereinrichtung kann an einer von dem Wellenleiter oder den Wellenleitern abgewandten Seide des zweiten Gehäuseteils angeordnet sein, wobei die Ultraschallwandler an dem Wellenleiter oder der jeweilige Ultraschallwandler an dem jeweiligen Wellenleiter angeordnet ist, wobei wenigstens eine Signalleitung wenigstens eines der Ultraschallwandler durch eine Durchbrechung des zweiten Gehäuseteils zu der Steuereinrichtung geführt ist. Durch das beschriebene Vorgehen kann beispielsweise eine relativ großbauende Auswertelektronik, die auch Bedienelemente, ein Display oder Ähnliches umfassen kann, außerhalb des zweiten Gehäuseteils, beispielsweise in einem separaten Gehäuse, angeordnet werden. Dies kann es insbesondere ermöglichen, eine solche Messelektronik zu warten bzw. zu bedienen, ohne die Gehäuseteile voneinander trennen zu müssen. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, mehrere solche Durchbrechungen vorzusehen, z.B. um Signalleitungen der Ultraschallwandler durch separate Durchbrechungen zu führen. Beispielsweise können zwei Durchbrechungen verwendet werden, die in Längsrichtung voneinander beabstandet sind und die insbesondere jeweils im Bereich des jeweiligen Ultraschallwandlers angeordnet sein können.
Wird wie obig erläutert ein Trockenvolumen genutzt, in dem die Steuereinrichtung angeordnet ist, kann die Abdichtung des Trockenvolumens gegenüber dem Messkanal erst im Bereich der Durchbrechung des zweiten Gehäuseteils folgen. Hierdurch kann eine besonders einfache Abdichtung möglich sein, da unter Umständen nur eine einzige Durchbrechung verschlossen werden muss. In diesem Fall können sich die Ultraschallwandler in einem Feuchtbereich befinden bzw. unmittelbar von in dem Messkanal geführten Fluid umspült werden. Es kann daher erforderlich sein, die Ultraschallwandler bzw. ihre Verbindung zu den Signalleitungen ausreichend zu isolieren.
Ergänzend oder alternativ wäre es möglich, bereits jenen Bereich des bzw. des jeweiligen Wellenleiters, in dem der jeweilige Ultraschallwandler angeordnet ist, gegenüber dem Messkanal abzudichten. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine das Fluid kontaktierende Kontaktfläche des jeweiligen Wellenleiters randseitig umlaufend auf einer Dichtung aufliegt oder Ähnliches.
Die Messeinrichtung kann ein Reflexionselement aufweisen, das an einer dem Wellenleiter oder den Wellenleitern gegenüberliegenden Seitenwand des Messkanals angebracht ist und derart eingerichtet ist, dass es die Kompressionswelle reflektiert und/oder dass es eine durch die Kompressionswelle angeregte weitere geführte Welle derart führt, dass die weitere geführte Welle sich innerhalb des Reflexionselements parallel zu der Längsrichtung ausbreitet und hierbei eine weitere Kompressionswelle im Fluid anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen der Ultraschallwandler geführt wird, wobei das Reflexionselement aus einem anderen Material als das erste Gehäuseteil und/oder aus dem gleichen Material wie der oder die Wellenleiter gebildet ist. Insbesondere kann das Reflexionselement als ebene Platte ausgebildet sein, die sich speziell parallel zu dem Wellenleiter erstrecken kann.
Die gegenüberliegende Seitenwand kann eine ausschließlich zum Messkanal hin offene Ausnehmung aufweisen, in der das Reflexionselement vollständig oder abschnittsweise aufgenommen ist und/oder die das Reflexionselement haltert. Bei einer derartigen Anordnung ist die Seitenwand, an der das Reflexionselement angeordnet ist, bzw. die Ausnehmung unabhängig vom Reflexionselement dicht gegenüber dem Außenbereich, womit keine besonderen Maßnahmen zur Abdichtung des Messkanals im Bereich des Reflexionselements erforderlich sind. Das Reflexionselement kann dadurch an dem ersten Gehäuseteil angebracht werden, dass es dort, insbesondere durch die Ausnehmung, festgeklemmt ist, im Rahmen der Herstellung des ersten Gehäuseteils umspritzt wird bzw. an das erste Gehäuseteil angespitzt bzw. in die Ausnehmung eingespritzt wird, mit dem ersten Gehäuseteil verprägt wird, an dem ersten Gehäuseteil verrastet oder verschnappt ist oder Ähnliches. Für das Reflexionselement können die bereits bezüglich des Wellenleiters genannten Materialien verwendet werden, unabhängig davon, ob das Reflexionselement aus dem gleichen Material wie der oder die Wellenleiter gebildet ist. Wird durch die Kompressionswelle eine weitere geführte Welle angeregt, wie obig erläutert wurde, führt dies dazu, dass die Führung der Kompressionswelle zu dem anderen Ultraschallwandler mehrere Umsetzungen zwischen Kompressionswelle und geführter Welle umfassen kann.
Die Länge des Reflexionselements in Längsrichtung des Messkanals kann geringer sein als die Länge der Messöffnung. Ergänzend oder alternativ kann die Breite des Reflexionselements in Querrichtung des Messkanals geringer sein als die Breite der Messöffnung. Ist beides der Fall, so kann das Reflexionselement im Rahmen der Herstellung geradlinig durch die Messöffnung eingesetzt werden. Ist nur eine der Abmessungen der Messöffnung größer als die entsprechende Abmessung des Reflexionselements, so kann dieses schräg durch die Messöffnung geführt werden und erst im Messkanal parallel zur weiteren Seitenwand ausgerichtet werden. Alternativ könnte das Reflexionselement beispielsweise über den Fluidzufluss bzw. -abfluss eingesetzt werden. Vorteilhaft ist die Breite des Reflexionselements geringer als die Breite der messkanalzugewandten Innenfläche der Seitenwand, an der es angeordnet ist, oder gleich der Breite dieser Innenfläche. Hierdurch wird vermieden, dass sich das Reflexionselement über den Messkanal hinaus erstreckt und es wird ein Einsetzen bzw. anbringen des Reflexionselements über die Messöffnung bzw. den Messkanal ermöglicht.
Das Reflexionselement kann über ein den Messkanal durchsetzendes Kopplungsmittel mit dem Wellenleiter oder wenigstens einem der Wellenleiter und/oder dem zweiten Gehäuseteil gekoppelt sein. Insbesondere kann das Reflexionselement über als Stäbe oder Ähnliches ausgebildete Kopplungsmittel am Wellenleiter bzw. ersten Gehäuseteil gehaltert sein. Diese Befestigung kann insbesondere im Rahmen der Herstellung der Messeinrichtung bereits vor dem Anbringen des Wellenleiters an dem ersten Gehäuseteil erfolgen. Somit kann z.B. beim Anordnen des Wellenleiters an dem ersten Gehäuseteil zugleich das direkt bzw. über das erste Gehäuseteil mit diesem verbunden Reflexionselement durch die Messöffnung in den Messkanal eingeführt und über das Kopplungsmittel im Beriech der dem Wellenleiter gegenüberliegenden Seitenwand des Messkanals gehaltert werden.
Der Messkanal kann in einer Querschnittsebene senkrecht zur Längsrichtung rechteckig oder trapezförmig sein. Insbesondere kann diese Form für alle Querschnittsflächen in jenem Abschnitt des Messkanals gegeben sein, in dem der Wellenleiter bzw. wenigstens einer der Wellenleiter das Fluid kontaktiert bzw. einen Abschnitt der Innenfläche des Messkanals bildet. Ergänzend oder alternativ kann diese Form auch für alle Querschnittsflächen in dem zwischen den Ultraschallwandlern und/oder zwischen den Wellenleitern liegenden Bereich des Messkanals gegeben sein. Die Breite des Wellenleiters kann so gewählt sein, dass eine Seite des gebildeten Rechtecks bzw. eine der parallelen Seiten des gebildeten Trapezes vollständig durch den bzw. den jeweiligen Wellenleiter gebildet wird. Bei geeigneter Anregung des Wellenleiters kann hierdurch insbesondere erreicht werden, dass die Kompressionswelle im Wesentlichen über die gesamte Breite des Wellenleiters und somit des Rechtecks bzw. des Trapezes abgestrahlt wird, wodurch insbesondere das Verhalten des Strömungsprofils auf seiner gesamten Breite berücksichtigt werden kann.
Eine Trapezform kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Seite mit der wenigstens einen Messöffnung die breitere der parallelen Trapezseiten ist und wenn zur Herstellung des ersten Gehäuseteils ein Spritzgussverfahren verwendet wird. In diesem Fall kann ein Abschnitt einer Form, die im Rahmen dieses Spritzgusses genutzt wird, über die Messöffnung in den Messkanal eingreifen, um diesen freizuhalten. Die Trapezform und somit das Öffnen des Kanals zu der Form bzw. dem Formabschnitt hin, unterstützt hierbei das Entformen, also die Entnahme des geformten Teils von der Form.
Die Ultraschallwandler können mit separaten Wellenleitern schwingungsgekoppelt sein, wobei diese Wellenleiter beide durch das zweite Gehäuseteil gehaltert sind. Eine Nutzung von separaten Wellenleitern kann vorteilhaft sein, um eine direkte Führung der geführten Welle innerhalb des Wellenleiters zwischen den Ultraschallwandlern zu vermeiden. In einigen Messgeometrien kann es schwierig sein, ein aus dieser direkten Führung resultierendes Messsignal von dem Messsignal, das die durch das Fluid geführte Kompressionswelle betrifft, zu separieren. Die separaten Wellenleiter können an der gleichen Seitenwand oder an unterschiedlichen Seitenwänden des Messkanals angeordnet werden. Zwischen den Wellenleitern kann, wenn sie an der gleichen Seitenwand angeordnet sind, beispielsweise ein Abschnitt des ersten Bauteils oder ein anderes Bauteil mit einer deutlich anderen Impedanz für die geführte Welle als die Wellenleiter angeordnet sein, womit eine Übertragung der geführten Welle in bzw. über dieses Bauteil kaum erfolgt. Durch die Halterung beider Wellenleiter durch das gemeinsam genutzte zweite Gehäuseteil resultiert dennoch ein relativ einfacher Aufbau der Messeinrichtung.
Die Ultraschallwandler können jeweils dazu eingerichtet sein, in wenigstens zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Anregungsbereichen des oder des jeweiligen Wellenleiters eine jeweilige Teilwelle anzuregen, wobei sich die Teilwellen zu der geführten Welle überlagern. Dieses Vorgehen kann insbesondere dazu dienen, eine Modenselektivität zu erreichen, indem die Abstände der Anregungsbereiche und die Anregungsfrequenz so gewählt werden, dass für eine bestimmte Schwingungsmode der geführten Welle aufgrund ihrer Wellenlänge eine destruktive Interferenz resultiert. Beispielsweise kann die Anregung in beiden Anregungsbereichen gleichphasig bzw. mit gleicher Polarität erfolgen und der Abstand der Mitten der Anregungsbereiche kann der halben Wellenlänge der nicht gewünschten Schwingungsmode entsprechen. Es kann auch möglich sein, die Anregungsbereiche mit einem bestimmten Phasenversatz oder mit einer bestimmten Zeitverzögerung anzuregen und/oder in den Anregungsbereichen Schwingungen mit unterschiedlicher Polarität anzuregen, um eine destruktive Interferenz für eine bestimmte Schwingungsmode zu realisieren. Durch eine entsprechende Verarbeitung der Empfangssignale, also beispielsweise durch Addieren oder Subtrahieren der Empfangssignale aus beabstandeten Anregungsbereichen oder durch ein phasenverschobenes Addieren, kann auch empfangsseitig eine Modenselektivität erreicht werden.
Die Anregung der Teilwellen in den Anregungsbereichen kann insbesondere durch separate Schwingelemente, also beispielsweise durch separate piezoelektrische Schwingelemente, erfolgen. Beispielsweise können in Längsrichtung beabstandet voneinander zwei stabförmige Piezoelemente mit der, insbesondere dort lokal flachen, Oberfläche des Wellenleiters gekoppelt werden, um die Anregung in verschiedenen Anregungsbereichen zu ermöglichen. Verschiedene Ansätze zur Anregung in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen, um eine Modenselektivität zu erreichen, sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2017 006 173 A1 bekannt. Dort werden diese Ansätze zwar zur Anregung einer Seitenwand eines einteiligen Messrohrs genutzt. Die dort beschriebenen Ansätze sind jedoch auf die Anregung des hier genutzten Wellenleiters übertragbar.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Ultraschallwandler mit einer jeweiligen Stirnfläche des oder des jeweiligen Wellenleiters schwingungsgekoppelt sein, die in einem Winkel von wenigstens 60 Grad oder von wenigstens 80 Grad zu der Längsrichtung des Messkanals und/oder zu einer Kontaktfläche des oder des jeweiligen Wellenleiters steht, wobei die Kontaktfläche einen Abschnitt der Innenfläche des Messkanals bildet. Insbesondere kann die jeweilige Stirnfläche im Wesentlichen senkrecht auf der Längsrichtung bzw. der Kontaktfläche stehen, wobei von einem Winkel von 90 Grad, beispielsweise toleranzbedingt, um weniger als 5 Grad oder weniger als 1 Grad abgewichen werden kann. Insbesondere kann die Stirnfläche an einem Ende des Wellenleiters in Längsrichtung, insbesondere an dem von dem jeweiligen anderen Ultraschallwandler abgewandten Ende, angeordnet sein.
Im Rahmen von Versuchen wurde festgestellt, dass bei einer solchen stirnseitigen Anregung eine überraschend gute Modenreinheit über einen relativ breiten Frequenzbereich von Anregungsfrequenzen erreicht werden kann. Werden Frequenzen genutzt, bei denen nur genau eine symmetrische und genau eine antisymmetrische Schwingungsmode angeregt werden können, so kann durch Auswahl der Polarisierung eines als Ultraschallwandler genutzten piezoelektrischen Elements die anzuregende Schwingungsmode gewählt werden. Wird ein in Dickenrichtung, also senkrecht zur Kontaktfläche, polarisiertes piezoelektrisches Element genutzt, werden nahezu ausschließlich symmetrische Schwingungsmoden des Wellenleiters angeregt. Eine Polarisierung des piezoelektrischen Elements, die zu einem Scheren führt, regt hingegen primär antisymmetrische Schwingungsmoden an. Somit kann mit geringem Aufwand eine weitgehende Modenreinheit erreicht werden.
Umlaufend um die jeweilige Messöffnung kann zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Wellenleiter bzw. der Kontaktfläche des Wellenleiters eine Dichtung angeordnet sein. Die Dichtung kann ein O-Ring oder eine Formdichtung sein oder als Teil des ersten Gehäuseteils hergestellt sein, beispielsweise wenn das erste Gehäuseteil durch Zweikomponenten- oder Mehrkomponentenspritzguss hergestellt ist. Die Dichtung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass sich bei erhöhtem Druck die relative Lage des ersten und zweiten Gehäuseteils bzw. des Wellenleiters und des ersten Gehäuseteils bis zu einem gewissen Grad ändern kann, um dem Druck nachzugeben, ohne dass ein Spalt zwischen der Dichtung und dem erstem Gehäuseteil bzw. der Dichtung und dem Wellenleiter resultiert. Alternativ wäre es z.B. möglich, dass der Wellenleiter komplett von Fluid umgeben werden kann, sodass eine Abdichtung des Fluidraums an der Durchbrechung des zweiten Gehäuseteils oder an einer anderen Durchführung zum obig erläuterten Trockenraum erfolgen kann.
Das erste und/oder zweite Gehäuseteil können an ihrer jeweiligen von dem Messkanal abgewandten Außenfläche mehrere in Radialrichtung abstehende Versteifungsrippen aufweisen. Hierbei kann in Umfangsrichtung insbesondere eine Versteifungsrippe des zweiten Gehäuseteils eine Versteifungsrippe des ersten Gehäuseteils fortsetzen. Beispielsweise können durch das erste Gehäuseteil bzw. durch das erste und zweite Gehäuseteil gemeinsam ringförmige Versteifungsrippen ausgebildet werden, da hierdurch eine besonders große Stabilität des Messkanals erreicht werden kann.
Der Messkanal kann durch erste Seitenwände, an denen der oder der jeweilige Wellenleiter und/oder das Reflexionselement angeordnet sind, und zweite Seitenwände gebildet sein, wobei wenigstens eine der zweiten Seitenwände wenigstens eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Vertiefung aufweist, die den Strömungsquerschnitt des Messkanals vergrößert. Durch die Vertiefung, die auch als Rille, Furche oder Ausnehmung bezeichnet werden kann, wird eine Art Nebenkanal gebildet, durch den ein Teil des durch den Messkanal geführten Fluids strömen kann. Die Verteilung des Fluidstroms auf den Bereich der Vertiefung oder der Vertiefungen und auf den Bereich, der außerhalb der Vertiefungen dient, hängt von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Da die Abmessungen der Vertiefung verglichen mit der Gesamtabmessung des Messkanals relativ klein sein können, wechselwirkt jener Teil des Fluids, der im Bereich der Vertiefung geführt wird, stärker mit den Wänden des Messkanals als jener Teil des Fluids, der außerhalb der Vertiefung und insbesondere nahe an der Messkanalmitte geführt wird.
Ist der Durchfluss durch den Messkanal gering, so wird ein Großteil der Fluidmenge nahe der Rohrmitte und somit außerhalb der Vertiefung oder Vertiefungen transportiert. Mit zunehmend größerem Durchfluss, insbesondere bei einem Übergang vom laminaren in den turbulenten Bereich, steigt die Flussgeschwindigkeit in der Nähe der Rohrwände relativ zu derjenigen in der Rohrmitte. Dies gilt insbesondere auch im Bereich der Vertiefung bzw. Vertiefungen, sodass der Anteil der Vertiefung bzw. Vertiefungen am Fluidtransport steigt. Das Verhältnis der Durchflussmenge pro Zeit durch die Vertiefung bzw. die Vertiefungen zu der Durchflussmenge pro Zeit durch den Bereich außerhalb der Vertiefung bzw. Vertiefungen steigt somit mit steigender Gesamtdurchflussmenge.
Wird nun die Messung derart durchgeführt, dass die Kompressionswellen im Wesentlichen ausschließlich durch den Bereich des Messkanals geführt werden, der außerhalb der Vertiefungen liegt, so wird näherungsweise ausschließlich jener Teil der Fluidströmung berücksichtigt, der im Bereich außerhalb der Vertiefung oder der Vertiefungen strömt. Bei geringen Durchflussmengen erfolgt, wie vorangehend erläutert, nahezu der gesamte Fluidtransport in diesem Bereich. Wird die Durchflussmenge stark erhöht, so wird ein Teil des Fluids durch die Vertiefungen und somit an dem im Rahmen der Messung berücksichtigten Bereich vorbeigeführt. Dies führt dazu, dass die Durchflussmenge pro Zeit nicht mehr proportional zu der gemessenen Flussgeschwindigkeit ist, sondern dass bei niedrigen Durchflussmengen eine demgegenüber relativ überhöhte Geschwindigkeit gemessen wird. Hierdurch können Auflösungsprobleme bei niedrigen Durchflussmengen reduziert bzw. vermieden werden.
Der Messkanal kann zumindest in einem zwischen den Ultraschallwandlern gelegenen Messabschnitt einen, abgesehen von der wenigstens einen Vertiefung, rechteckigen oder trapezförmigen Innenquerschnitt aufweisen, wobei die Vertiefung oder Vertiefungen ausschließlich in Seitenwänden vorhanden sind, an denen kein Wellenleiter bzw. kein Reflexionselement angeordnet ist. Jene Seitenwände, an denen der bzw. die Wellenleiter bzw. das Reflexionselement vorgesehen sind, können einander gegenüber liegen und ein Hauptströmungsvolumen aufspannen, wobei die wenigstens eine Vertiefung außerhalb des Hauptströmungsvolumens liegt und ein jeweiliges Nebenströmungsvolumen bildet. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten wird nahezu der gesamte Fluidstrom durch das Hauptströmungsvolumen geführt, da die Strömungsgeschwindigkeit in den Vertiefungen aufgrund der größeren Nähe des Fluid zur Wand deutlich verlangsamt ist. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit verteilt sich der Fluidstrom auf das Hauptströmungsvolumen und das oder die Nebenströmungsvolumen. Dies führt dazu, dass die gemessene Flussgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Messkanal, der keine entsprechenden Vertiefungen aufweist, mit sinkendem Durchflussvolumen langsamer sinkt, womit eine Messgenauigkeit bei niedrigem Durchflussvolumen erhöht werden kann. Da dennoch ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der gemessenen Flussgeschwindigkeit und dem Durchflussvolumen besteht und nur die funktionale Abhängigkeit der Flussgeschwindigkeit von dem Durchflussvolumen durch das Vorsehen der Vertiefung verändert wird, kann eine Genauigkeit einer Durchflussmengenmessung insgesamt verbessert werden.
Die Nutzung eines Schwingungstransports zur Erfassung von Fluideigenschaften ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden in Ultraschallzählern häufig Laufzeitunterschiede einer Laufzeit einer Welle zwischen einem ersten und einem zweiten Ultraschallwandler und umgekehrt erfasst und hieraus kann eine Flussgeschwindigkeit bestimmt werden. Es können jedoch auch andere Messdaten gewonnen werden, um Fluideigenschaften zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Signalamplitude am empfangenden Ultraschallwandler ausgewertet werden, um eine Dämpfung der Schwingung beim Transport durch das Fluid zu erfassen. Amplituden können auch frequenzabhängig ausgewertet werden und es können absolute oder relativen Amplituden bestimmter Spektralbereiche ausgewertet werden, um ein spektral unterschiedliches Dämpfungsverhalten im Fluid zu erfassen. Auch Phasenlagen unterschiedlicher Frequenzbänder können ausgewertet werden, um beispielsweise Informationen über das Dispersionsverhalten der Messstrecke, insbesondere das Dispersionsverhalten im Fluid, zu gewinnen. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung bzw. der Amplitude über die Zeit, z.B. die Form einer Einhüllenden eines Messpulses, ausgewertet werden.
Durch Auswertung dieser Größen können als Fluidgrößen beispielsweise eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen und/oder eine Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Fluids ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ können beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit im Fluid und/oder eine Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise ein Mischungsverhältnis unterschiedlicher Komponenten, ermittelt werden. Verschiedene Ansätze zur Gewinnung dieser Fluidgrößen aus den vorangehend erläuterten Messgrößen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert dargestellt werden. Beispielsweise können Zusammenhänge zwischen einer oder mehreren Messgrößen und der Fluidgröße empirisch ermittelt werden und es kann beispielsweise eine Look-Up-Tabelle oder eine entsprechende Formel, die beispielsweise durch eine Regression bestimmt werden kann, genutzt werden, um die Fluidgröße zu ermitteln.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 eine geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
2 eine Detailansicht einer geschnittenen Darstellung entlang der Linie II-II in 1,
3 und 4 Detailansichten weiterer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und
5 und 6 geschnittene Darstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.

1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Messeinrichtung 1, im Beispiel eines Durchflusszählers, bei dem Fluid in einem Messkanal 6 von einem Fluidzufluss 7 zu einem Fluidabfluss 8 in eine Längsrichtung der Messeinrichtung, die der Querrichtung in 1 entspricht, geführt wird. Der Messkanal 6 wird hierbei durch einen ersten Gehäuseteil 2 gebildet, der aus einem flexibel und günstig formbaren Material besteht, beispielsweise aus Kunststoff. Dies hat den Vorteil, dass mit geringem technischen Aufwand auch komplexe Kanalgeometrien und andere geometrische Merkmale, beispielsweise die Versteifungsrippen 40, geformt werden können, beispielsweise durch Spritzguss oder 3D-Druck.
Die Messeinrichtung 1 nutzt zwei voneinander beabstandete Ultraschallwandler 4, 5, die durch eine Steuereinrichtung 3 angesteuert werden, um geführte Wellen 14 in einer Seitenwand des Messkanals 6 anzuregen, die sich zunächst parallel zur Längsrichtung ausbreiten und hierbei Kompressionswellen 15 im Fluid anregen. Gegenüber einer unmittelbaren Anregung von Kompressionswellen 15 in Fluid durch Ultraschallwandler, die beispielsweise unmittelbar mit dem Fluid in Kontakt stehen, kann hierdurch die Anregung der Kompressionswellen 15 in einem ausgedehnten Bereich der Seitenwand erreicht werden, was in 1 durch die zueinander versetzten Pfeile schematisch dargestellt ist. Hierdurch ist die Messung weitgehend unabhängig von der Form des Strömungsprofils.
Hierbei ergibt sich das Problem, dass gut formbare Materialien, also insbesondere Kunststoffe bzw. mit Füllstoffen versetzte Kunststoffe, die besonders geeignet zur Ausbildung des ersten Gehäuseteils sind, eher wenig geeignet zur Führung entsprechender geführter Wellen sind. Zum einen tritt in Kunststoffen und anderen leicht formbaren Materialien typischerweise eine starke Dämpfung entsprechender geführter Wellen auf, womit eine für Messzwecke geeignete Anregung typischerweise nicht oder nur mit relativ hohem Energieaufwand möglich ist. Zum anderen ist es bei dem beschriebenen Messprinzip typischerweise vorteilhaft, wenn eine weitgehend modenreine Anregung einer einzigen Mode einer Lamb-Welle als geführte Welle 14 erfolgt. Verschiedene Ansätze zum Erreichen einer solchen Modenreinheit werden später noch diskutiert. Grundsätzlich ist es hierfür jedoch vorteilhaft, wenn Anregungsfrequenzen genutzt werden, bei denen aufgrund der Dispersionsrelation der Seitenwand nur genau eine antisymmetrische und genau eine symmetrische Schwingungsmode der Lamb-Welle angeregt werden kann. Zudem ist eine Abstrahlung der Kompressionswelle 15 nur in einem gewissen Bereich des Verhältnisses der Schallgeschwindigkeit der Seitenwand und der Schallgeschwindigkeit im Fluid möglich. Bei Nutzung einer Seitenwand aus Kunststoff oder ähnlichen Materialien zur Führung der geführten Welle 14 wäre es somit typischerweise erforderlich, eine sehr dünne Seitenwand zu verwenden, was zu deutlichen Einschränkungen bezüglich des maximal zulässigen Fluiddrucks führen würde, oder Anregungsfrequenzen zu nutzen, die deutlich unterhalb des für Ultraschallwandler üblichen Frequenzbereichs liegen.
Um die genannten Nachteile zu vermeiden, nutzt die Messeinrichtung 1 stattdessen einen separat von dem ersten Gehäuseteil 2 ausgebildeten Wellenleiter 10, der aus einem anderen Material, beispielsweise aus Metall, Glas oder Keramik, besteht. Hierdurch werden für das erste Gehäuseteil 2 die obig erläuterten Vorteile erreicht, und durch die Nutzung eines anderen Materials für den Wellenleiter 10 werden die Nachteile dieses Materials bezüglich der Wellenleitung vermieden. Wie sowohl in 1 als auch in 2, die eine Detailansicht eines Schnitts entlang der Linie II-II in 1 zeigt, gut zu erkennen ist, ist der gesamte Wellenleiter 10 durch eine in Längsrichtung und in Querrichtung ebene Platte mit konstanter Dicke 56 gebildet. Dies verbessert einerseits die Wellenleitung und ermöglicht andererseits eine einfache Herstellung dieser Komponente, beispielsweise durch Blechstanzen.
Das erste Gehäuseteil 2 weist eine Messöffnung 9 auf, die dadurch fluiddicht verschlossen ist, dass im Bereich der Messöffnung 9 der Wellenleiter 10 angeordnet ist und die Verbindung zwischen dem Wellenleiter 10 und dem erstem Gehäuseteil 2 durch eine Dichtung 26 abgedichtet ist. Die Ultraschallwandler 4, 5 sind unmittelbar an dem Wellenleiter 10 befestigt, sodass der Wellenleiter 10 gemeinsam mit den Ultraschallwandlern 4, 5 und deren Signalleitungen 19 eine Art Sensormodul bildet, das an dem ersten Gehäuseteil 2 angebracht ist.
Ein zweites Gehäuseteil 11 kann beispielsweise aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material gebildet sein, wie das erste Gehäuseteil 2. Im gezeigten Beispiel ist das zweite Gehäuseteil 11 über Metallbänder 12, 13 an dem ersten Gehäuseteil 2 befestigt, wodurch zusätzlich eine Versteifung des resultierenden Gehäuses erreicht wird. Ergänzend oder alternativ kann das zweite Gehäuseteil 11 durch Schrauben, eine Vernietung oder ähnliches an dem ersten Gehäuseteil 2 befestigt sein. Im gezeigten Beispiel läuft die Dichtung 26 nach Art eines O-Rings um die Messöffnung 9 um und der Wellenleiter 10 wird durch einen umlaufenden Kopplungsabschnitt 48 des zweiten Gehäuseteils 11 gegen die Dichtung 26 bzw. das erste Gehäuseteil 2 gepresst, wodurch der Wellenleiter 10 durch das zweite Gehäuseteil 11 geklemmt und somit gehaltert ist. Dies ist insbesondere in 2 gut zu erkennen.
Die Steuereinrichtung 3 ist in einem Trockenvolumen 16 angeordnet, das gegenüber dem Messekanal 6 bzw. der Umgebung der Messeinrichtung 1 fluiddicht abgeschlossen ist. In den gezeigten Beispielen erfolgt die Abdichtung gegenüber dem Messkanal durch die Dichtung 26 zwischen Wellenleiter 10 und erstem Gehäuseteil 2. Die Dichtung 26 ist beispielhaft als separates Bauteil dargestellt, könnte jedoch auch unmittelbar an das erste Gehäuseteil 2 angeformt sein bzw. durch dieses gebildet werden.
Prinzipiell wäre es auch möglich, dass auf eine solche Abdichtung verzichtet wird und Fluid aus dem Messkanal 6 in den die Ultraschallwandler 4, 5 aufnehmenden Zwischenraum 49 zwischen dem Wellenleiter 10 und dem zweiten Gehäuseteil 11 eindringen kann bzw. die Ultraschallwandler 4, 5 umströmt. In diesem Fall müsste die elektronische Kontaktierung der Ultraschallwandler 4, 5 entsprechend fluiddicht sein, wenn Messungen an einem leitfähigen Fluid erfolgen sollen. Sollen hingegen beispielsweise Glase als Fluid verwendet werden, ist ein Umströmen der Ultraschallwandler 4, 5 typischerweise problemlos möglich. Um einen Austritt des Fluids aus der Messeinrichtung 1 zu verhindern bzw. das Trockenvolumen 16 abzudichten, kann es vorteilhaft sein, eine Durchbrechung 20 des zweiten Gehäuseteils 11, durch die die Signalleitungen 9 der Ultraschallwandler 4, 5 geführt sind, fluiddicht abzudichten.
In 1 wird das Trockenvolumen 16 durch weitere Gehäuseteile 17, 18 gebildet, die durch das zweite Gehäuseteil 11 getragen werden. Beispielsweise kann das weitere Gehäuseteil 17 an dem zweiten Gehäuseteil angeklebt, angeschraubt oder anderweitig befestigt sein. Das weitere Gehäuseteil 18 kann abnehmbar sein und beispielsweise mit dem weiteren Gehäuseteil 17 verrasten, beispielsweise um eine Wartung der Steuereinrichtung 3 zuzulassen. Alternativ wäre es auch möglich, das Trockenvolumen 16 unmittelbar durch das zweite Gehäuseteil zu begrenzen.
Wie in 1 schematisch dargestellt wird, ist bei einer Anordnung der Ultraschallwandler 4, 5 an der gleichen Seitenwand des Messkanals 6 wenigstens eine Reflexion der Kompressionswellen an der gegenüberliegenden Seitenwand erforderlich. Hierbei ist es möglich, als Material des ersten Gehäuseteils 2 ein Material zu verwenden, das für eine solche Reflexion nur bedingt geeignet ist und beispielsweise zu einer starken Streuung bzw. einer starken Bedämpfung der reflektierten Welle führen würde. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung, wie in 1 und 2 dargestellt ist, ein Reflexionselement 21 aufweist, das an einer dem Wellenleiter 10 gegenüberliegenden Seitenwand 22 des Messkanals 6 angebracht ist. Das Reflexionselement 21 ist in einer Ausnehmung 58 des ersten Gehäuseteils 2 aufgenommen und dort z.B. verrastet oder verklebt. Hierbei kann durch eine geeignete Wahl des Materials des Reflexionselements 21 erreicht werden, dass dieses im Wesentlichen zu einer Totalreflektion der Kompressionswelle 15 führt. Es ist jedoch auch möglich, dass das Reflexionselement 21 als weiterer Wellenleiter ausgestaltet ist, sodass durch die Kompressionswelle 15 in dem Reflexionselement 21 zunächst eine weitere geführte Welle 23 angeregt wird, die durch das Reflexionselement 21 derart geführt wird, dass sie sich innerhalb des Reflexionselements 21 parallel zu der Längsrichtung ausbreitet und hierbei eine weitere Kompressionswelle 24 im Fluid anregt, die über das Fluid zum jeweils anderen Ultraschallwandler 4, 5 geführt wird. Unabhängig davon, ob ein solches Reflexionselement 21 genutzt wird, kann die Kompressionswelle 15 bzw. die weitere Kompressionswelle 24 insbesondere indirekt zu dem jeweiligen empfangenden Ultraschallwandler 4,5 geführt werden, indem zunächst im Wellenleiter 10 eine weitere geführte Welle 25 angeregt wird, die zu dem jeweiligen Ultraschallwandler 4,5 geführt wird und diesen dann zu Schwingungen anregt.
Wie in 2 dargestellt ist, ist der Messkanal 6, abgesehen von Vertiefungen 28 in wenigstens einer der Seitenwände 27, trapezförmig. Hierbei ist die Schräge der Seitenwände 27 so gewählt, dass keine allzu starke Abweichung von einer Rechteckform auftritt. Eine Rechteckform ermöglicht es, Kompressionswellen 15 im Wesentlichen über die gesamte Breite des Messkanals 6 in das Fluid einzustrahlen und somit eine weitgehende Unabhängigkeit der Messung von der Form des Strömungsprofils zu erreichen. Die leichte Anschrägung der Seitenwände 27 kann beispielsweise bei einer Herstellung des ersten Gehäuseteils 2 durch Spritzguss vorteilhaft sein, um eine bessere Entformbarkeit zu erreichen.
Die in 2 dargestellten Vertiefungen 28 erstrecken sich insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Länge des Messkanals 6 in Strömungsrichtung. Solche Vertiefungen können dazu genutzt werden, eine gute Messgenauigkeit über einen relativ großen Bereich von Durchflussgeschwindigkeiten zu erreichen. Durch die Nutzung relativ schmaler Vertiefungen 28 ist das dort befindliche Fluid in deutlich stärkerem Kontakt mit der Seitenwand 27 des Messkanals 6 als das mittig im Messkanal 6 befindliche Fluid. Dies führt dazu, dass die Vertiefungen 28 bei relativ geringen Durchflussvolumen näherungsweise nicht zum Fluidtransport beitragen, da das Fluid dort erheblich langsamer strömt. Bei relativ geringen Durchflussmengen ändern die zusätzlichen Vertiefungen 28 somit den tatsächlich genutzten Strömungsquerschnitt und somit die Strömungsgeschwindigkeit zumindest näherungsweise nicht.
Bei höheren Durchflüssen schlägt die Strömung in den Vertiefungen 28 in eine turbulente Strömung um, womit der Anteil der Vertiefungen am Fluidtransport deutlich zunimmt, wodurch durch die Vertiefungen bei höheren Durchflüssen effektiv ein größerer nutzbarer Strömungsquerschnitt resultiert als bei niedrigen Durchflüssen. Das beschriebene Verhalten führt dazu, dass bei geringen Durchflüssen eine gute Messgenauigkeit aufgrund der unverändert hohen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Messkanals resultiert, während bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Strömungswiderstand durch die zusätzliche Nutzung der Vertiefungen 28 zum Fluidtransport reduziert und eine Sättigung der Messung vermieden werden kann.
Um eine hohe Stabilität des ersten und zweiten Gehäuseteils 2, 11 zu erreichen, weisen das erste und zweite Gehäuseteil 2, 11 jeweils Versteifungsrippen 40, 41 auf, die von einer von dem Messkanal 6 abgewandten Außenfläche des jeweiligen Gehäuseteils 2, 11 in Radialrichtung abstehen. Die Versteifungsrippen 40, 41 können insbesondere ringförmig sein, wobei in Abschnitten in Längsrichtung der Messeinrichtung 1, in denen sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil 2, 11 vorhanden sind, ein solcher Ring jeweils teils durch eine Versteifungsrippe 40 des ersten Gehäuseteils 2 und teils durch eine Versteifungsrippe 41 des zweiten Gehäuseteils 11 gebildet sein kann.
3 zeigt eine Detailansicht einer alternativen Ausgestaltung der Messeinrichtung 1. Diese unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Wellenleiter 10 durch zwei Nieten 29, 30 mit dem ersten Gehäuseteil 2 vernietet ist. Die Nieten 29, 30 durchsetzen jeweilige Befestigungsabschnitte 31, 32 des Wellenleiters 10, die für die Führung der geführten Wellen 14, 25 zumindest im Wesentlichen irrelevant sind. Statt einer Vernietung könnte beispielsweise auch eine Verschraubung genutzt werden. Prinzipiell kann bei einer Verschraubung oder Vernietung des Wellenleiters 10 an dem ersten Gehäuseteil 2 auf die Nutzung des zweiten Gehäuseteils 11, verzichtet werden. Dennoch kann es vorteilhaft sein, ein solches zweites Gehäuseteil 11 vorzusehen, um den Wellenleiter 10 bzw. die Ultraschallwandler 4, 5 vor äußeren Einflüssen zu schützen. Das zweite Gehäuseteil 11 könnte in diesem Fall wahlweise an dem Wellenleiter 10 selbst befestigt, beispielsweise angeklebt, verschraubt oder vernietet, sein und/oder an dem ersten Gehäuseteil 2 befestigt sein.
Im Unterschied zur 1 und 2 zeigt 3 zudem weitere Details bezüglich einer möglichen Ausgestaltung der Ultraschallwandler 4, 5. Die Ultraschallwandler 4, 5 sind hierbei jeweils dazu eingerichtet, in wenigstens zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Anregungsbereichen 33, 34 des Wellenleiters 10 eine jeweilige Teilwelle anzuregen, wobei sich die Teilwellen zu der geführten Welle 14 überlagern. Eine solche Ausgestaltung der Ultraschallwandler 4, 5 kann insbesondere dazu dienen, eine weitgehend modenreine Anregung der geführten Welle 14 zu erreichen. Hierbei ist es bekannt, dass verschiedene Schwingungsmoden von Lamb-Wellen bei gleicher Anregungsfrequenz unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Wird die Anregungsfrequenz nun so gewählt, dass genau eine symmetrische und genau eine antisymmetrische Wellenlänge angeregt werden, können die Abstände 37 der Mitten der Anregungsbereiche und die relative Polarität bzw. Phasenlage der Anregungen so gewählt werden, dass für eine dieser Schwingungsmoden eine im Wesentlichen vollständig destruktive Interferenz resultiert, sodass die verbleibende Schwingungsmode im Wesentlichen modenrein angeregt werden kann.
Die Anregung in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen 33, 34 kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass separate Schwingelemente 35, 36, beispielsweise separate piezoelektrische Elemente, in den Anregungsbereichen 33, 34 mit dem Wellenleiter 10 gekoppelt werden, beispielsweise an diesen angeklebt werden.
4 zeigt eine Detailansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Messeinrichtung 1. Hierbei sind die Ultraschallwandler 4, 5 mit separaten Wellenleitern 38, 39 gekoppelt, die jeweils im Bereich verschiedener Messöffnungen 42, 43 des Messkanals 6 bzw. des ersten Gehäuseteils 2 angeordnet sind. Durch die Nutzung separater Wellenleiter 38, 39 kann insbesondere ein direkter Transport der geführten Welle von dem Ultraschallwandler 4 zu dem Ultraschallwandler 5 unter Umgehung des Fluids weitgehend vollständig unterdrückt werden. Zudem ermöglicht die Kopplung der Ultraschallwandler 4, 5 mit separaten Wellenleitern 38, 39 auch, die Wellenleiter 38, 39 und somit die Ultraschallwandler 4, 5 an gegenüberliegenden Seitenwänden des Messkanals 6 anzuordnen, womit beispielsweise keine Reflektion von Kompressionswellen 15 erforderlich ist, wodurch eine kürzer bauende Messeinrichtung implementiert werden kann. In dem gezeigten Beispiel sind die Wellenleiter 38, 39 jedoch an der gleichen Seitenwand des Messkanals 6 angeordnet und können somit mit geringem Aufwand gemeinsam durch das zweite Gehäuseteil 11 gehaltert werden. Wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen werden Wellenleiter 38, 39 genutzt, die als ebene Platten mit im Wesentlichen konstanter Dicke 56 ausgebildet sind.
4 zeigt zudem eine weitere Möglichkeit, eine weitgehend modenreine Anregung von geführten Wellen 14 durch den jeweiligen Ultraschallwandler 4, 5 mit geringem Aufwand zu erreichen. Die Ultraschallwandler 4, 5 sind hierbei an einer jeweiligen Stirnfläche 46, 47 des jeweiligen Wellenleiters 38, 39 angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht auf der Längsrichtung steht. Zugleich stehen die Stirnflächen 46, 47 näherungsweise senkrecht auf einer Kontaktfläche 59 des jeweiligen Wellenleiters 38, 39, über die dieser das Fluid kontaktiert. Werden nun als Ultraschallwandler 4, 5 piezoelektrische Elemente 44, 45 genutzt, und wird eine Anregungsfrequenz genutzt, bei der genau eine symmetrische und genau eine antisymmetrische Lamb-Welle angeregt werden können, kann durch geeignete Wahl der Polarisation des jeweiligen piezoelektrischen Elements 44, 45 vorgegeben werden, ob eine symmetrische oder eine antisymmetrische Lamb-Welle angeregt wird. So führt eine Polarisation in die Hochrichtung in 4 mit an der Ober- und Unterseite angeordneten Elektroden zu einer Dickenschwingung des jeweiligen piezoelektrischen Elements 44, 45, die nahezu ausschließlich symmetrische Lamb-Wellen in dem jeweiligen Wellenleiter 38, 39 anregt. Wird das piezoelektrische Element 44, 45 entgegen als Scherpiezo polarisiert, weist es also eine, insbesondere schichtweise abwechselnde, Polarisierung in Querrichtungen in 4 auf, regen die Scherschwingungen des piezoelektrischen Elements 44, 45 nahezu ausschließlich antisymmetrische Lamb-Wellen in den Wellenleitern 38, 39 an.
5 zeigt einen Querschnitt durch eine Messeinrichtung 1, die gegenüber der mit Bezug zu 1 und 2 diskutierten Messeinrichtung 1 etwas abgewandelt ist. Während in 1 und 2 die zweite Gehäusekomponente 11 zwischen die Wände der ersten Gehäusekomponente 2 eingreift, liegt in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die zweite Gehäusekomponente 2 bzw. das durch diese und den Wellenleiter 10 gebildete Sensormodul nur auf dem ersten Gehäuseteil 2 auf und umgreift diesen seitlich. Hierdurch wird bei gleichen äußeren Abmessungen ein größerer Strömungsquerschnitt erreicht. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die in dem Zwischenraum 49 zwischen dem Wellenleiter 10 und dem zweiten Gehäuseteil 11 angeordneten Ultraschallwandler in 5 nicht dargestellt.
Das Reflexionselement 21 ist in eine Ausnehmung 58 des ersten Gehäuseteils eingesetzt. Da die Breite 52 des Reflexionselements geringer ist als die Breite 54 der Messöffnung 9, kann das Reflexionselement 21 im Rahmen der Herstellung der Messeinrichtung 1 durch die Messöffnung 9 in die Ausnehmung 58 eingesetzt und dort z.B. verrasted oder verklemmt werden.
6 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Messeinrichtung 1, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen die Halterung des Wellenleiters 10 an dem ersten Gehäuseteil 2, die, wie obig erläutert, z.B. durch Vernietung oder Verschraubung oder über ein zweites Gehäuseteil erfolgen kann, nicht dargestellt ist. Hierbei unterscheidet sich die in 6 dargestellte Ausgestaltung von den vorangehend diskutierten Ausgestaltungen in mehreren Punkten, wobei diese Unterschiede einzeln oder kombiniert auf die vorangehenden Ausgestaltungen übertragen werden können.
Um eine Installation des Reflexionselements 21 im Rahmen der Montage der Messeinrichtung 1 zu erleichtern, wird ein Reflexionselement 21 verwendet, das an dem Wellenleiter 10 über Kopplungsmittel 57 befestigt ist. Die Kopplungsmittel 57 sind im Beispiel Schrauben oder andere Stäbe, die das Reflexionselement 21 positionsfest bezüglich des Wellenleiters 10 haltern. Da die Länge 53 des Reflexionselements 21 kürzer ist als die Länge 55 der Messöffnung 9, kann das Reflexionselement 21 somit automatisch über die Messöffnung 9 in den Messkanal 6 eingeführt werden, wenn der Wellenleiter 10 an der Messöffnung 9 angeordnet wird.
Im Beispiel wird zudem ein Wellenleiter 10 verwendet, der außerhalb des Abschnitts 51 des Wellenleiters 10, durch den der Messkanal 6 begrenzt wird, also insbesondere in einem über die Dichtung 26 gegenüber dem Messkanal 6 abgedichteten Trockenbereich, Krümmungsabschnitte 50 aufweist. Dies kann z.B. vorteilhaft sein, um den Wellenleiter 10 an dem nicht gezeigten zweiten Gehäuseteil zu haltern.
Die Krümmungsabschnitte führen dazu, dass Stirnflächen des Wellenleiters 10, die im Wesentlichen senkrecht auf der Kontaktfläche 59 des Wellenleiters stehen, mit der dieser das Fluid kontaktiert bzw. den Messkanal begrenzt, im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung des Messkanals verlaufen. Da der Wellenleiter die geführte Welle jedoch im Krümmungsbereich entlang dem Wellenleiter führt, kann durch Nutzung von stirnseitig angeordneten Ultraschallwandlern 4', 5' statt der dargestellten, an der fluidabgewandten Seite des Wellenleiters angeordneten Ultraschallwandler 4, 5 auch in diesem Fall die weitgehend modenreine Anregung erreicht werden, die vorangehend mit Bezug auf 4 erläutert wurde.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: erstes Gehäuseteil
3: Steuereinrichtung
4, 4': Ultraschallwandler
5, 5': Ultraschallwandler
6: Messkanal
7: Fluidzufluss
8: Fluidabfluss
9: Messöffnung
10: Wellenleiter
11: zweites Gehäuseteil
12: Metallband
13: Metallband
14: geführte Welle
15: Kompressionswelle
16: Trockenvolumen
17: weiteres Gehäuseteil
18: weiteres Gehäuseteil
19: Signalleitung
20: Durchbrechung
21: Reflexionselement
22: Seitenwand
23: geführte Welle
24: Kompressionswelle
25: geführte Welle
26: Dichtung
27: Seitenwand
28: Vertiefung
29: Niete
30: Niete
31: Befestigungsabschnitt
32: Befestigungsabschnitt
33: Anregungsbereich
34: Anregungsbereich
35: Schwingelement
36: Schwingelement
37: Abstand
38: Wellenleiter
39: Wellenleiter
40: Versteifungsrippe
41: Versteifungsrippe
42: Messöffnung
43: Messöffnung
44: piezoelektrisches Element
45: piezoelektrisches Element
46: Stirnfläche
47: Stirnfläche
48: Kopplungsabschnitt
49: Zwischenraum
50: Krümmungsbereich
51: Abschnitt
52: Breite
53: Länge
54: Breite
55: Länge
56: Dicke
57: Kopplungsmittel
58: Ausnehmung
59: Kontaktfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017006173 A1 [0033]

Claims

Messeinrichtung (1), insbesondere Durchflusszähler, zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße, insbesondere eines Durchflussvolumens, mit einem ersten Gehäuseteil (2), einer Steuereinrichtung (2), und zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallwandlern (4, 4', 5, 5'), wobei das erste Gehäuseteil (2) einen Messkanal (6) ausbildet, der sich in eine Längsrichtung von einem Fluidzufluss (7) zu einem Fluidabfluss (8) erstreckt und der abgesehen von wenigstens einer Messöffnung (9, 42, 43) fluiddicht ist, wobei die Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') beide mit einem oder jeweils mit einem jeweiligen Wellenleiter (10, 38, 39) der Messeinrichtung (1) schwingungsgekoppelt sind, wobei der oder die Wellenleiter (10, 38, 39) durch ein zweites Gehäuseteil (11) der Messeinrichtung (1) gehaltert und/oder mit dem ersten Gehäuseteil (2) vernietet oder verschraubt ist oder sind, sodass die wenigstens eine Messöffnung (9, 42, 43) durch den oder die Wellenleiter (10, 38, 39) und/oder das zweite Gehäuseteil (11) fluiddicht verschlossen ist, wobei der oder der jeweilige gesamte Wellenleiter (10, 38, 39) oder zumindest jener Abschnitt (51) des oder des jeweiligen Wellenleiters (10, 28, 29), durch den der Messkanal (6) begrenzt wird, durch eine in Längsrichtung ebene oder in alle Richtungen ebene Platte mit konstanter Dicke (56) gebildet ist, wobei der oder die Wellenleiter (10, 38, 39) aus einem anderen Material gebildet ist oder sind als das erste Gehäuseteil (2), wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') derart anzusteuern, dass er eine geführte Welle (14) derart anregt, dass sie sich innerhalb des oder des jeweiligen Wellenleiters (10, 38, 39) parallel zu der Längsrichtung ausbreitet und hierbei eine Kompressionswelle (15) im Fluid anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') geführt wird, um diesen zu Schwingungen anzuregen, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Schwingung des jeweils anderen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') betreffende Messdaten zu erfassen und die Fluidgröße in Abhängigkeit dieser Messdaten zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (10, 38, 39) aus Metall, Keramik oder Glas besteht.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseteil (2) aus Kunststoff, insbesondere aus einem mit wenigstens einem Füllstoff beladenen Kunststoff, gebildet ist und/oder durch Guss, Spritzguss oder 3D-Druck hergestellt ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) in einem Trockenvolumen (16) angeordnet ist, das gegenüber dem Messkanal (6) und/oder der Umgebung der Messeinrichtung (1) fluiddicht abgedichtet ist, wobei das Trockenvolumen (16) zumindest abschnittsweise durch das zweite Gehäuseteil (11) oder durch ein durch das zweite Gehäuseteil (11) getragenes weiteres Gehäuseteil (17) gebildet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) an einer von dem Wellenleiter (10, 38, 39) oder den Wellenleitern (10, 38, 39) abgewandten Seite des zweiten Gehäuseteils (11) angeordnet ist, wobei die Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') an dem Wellenleiter (10, 38, 39) oder der jeweilige Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') an dem jeweiligen Wellenleiter (10, 38, 39) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Signalleitung (19) wenigstens eines der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') durch eine Durchbrechung (20) des zweiten Gehäuseteils (11) zu der Steuereinrichtung (3) geführt ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reflexionselement (21) aufweist, das an einer dem Wellenleiter (10, 38, 39) oder den Wellenleitern (10, 38, 39) gegenüberliegenden Seitenwand (22) des Messkanals (6) angebracht ist und derart eingerichtet ist, dass es die Kompressionswelle (15) reflektiert und/oder dass es eine durch die Kompressionswelle (15) angeregte weitere geführte Welle (23) derart führt, dass die weitere geführte Welle (23) sich innerhalb des Reflexionselements (21) parallel zu der Längsrichtung ausbreitet und hierbei eine weitere Kompressionswelle (24) im Fluid anregt, die über das Fluid zu dem jeweils anderen der Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') geführt wird, wobei das Reflexionselement (21) aus einem anderen Material als das erste Gehäuseteil (2) und/oder aus dem gleichen Material wie der oder die Wellenleiter (10, 38, 39) gebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende Seitenwand (22) eine ausschließlich zum Messkanal (6) hin offene Ausnehmung (58) aufweist, in der das Reflexionselement (21) vollständig oder abschnittsweise aufgenommen ist und/oder die das Reflexionselement (21) haltert.
Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (53) des Reflexionselements (22) in Längsrichtung des Messkanals (6) geringer ist als die Länge (55) der Messöffnung (9) und/oder dass die Breite (52) des Reflexionselements (22) in Querrichtung des Messkanals (6) geringer ist als die Breite (54) der Messöffnung (9).
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (22) über ein den Messkanal durchsetzendes Kopplungsmittel (57) mit dem Wellenleiter (10, 38, 39) oder wenigstens einem der Wellenleiter (10, 38, 39) und/oder dem zweiten Gehäuseteil (11) gekoppelt ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (6) in einer Querschnittsebene senkrecht zur Längsrichtung rechteckig oder trapezförmig ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalwandler (4, 5) mit separaten Wellenleitern (10, 38, 39) schwingungsgekoppelt sind, wobei diese Wellenleiter (10, 38, 39) beide durch das zweite Gehäuseteil (11) gehaltert sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') jeweils dazu eingerichtet sind, in wenigstens zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Anregungsbereichen (33, 34) des oder des jeweiligen Wellenleiters (10, 38, 39) eine jeweilige Teilwelle anzuregen, wobei sich die Teilwellen zu der geführten Welle (14) überlagern.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (4, 4', 5, 5') mit einer jeweiligen Stirnfläche (46, 47) des oder des jeweiligen Wellenleiters (10, 38, 39) schwingungsgekoppelt sind, die in einem Winkel von wenigstens 60° oder von wenigstens 80° zu der Längsrichtung des Messkanals (6) und/oder zu einer Kontaktfläche (59) des oder des jeweiligen Wellenleiters (9, 28, 39) steht, wobei die Kontaktfläche (59) einen Abschnitt der Innenfläche des Messkanals (6) bildet.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Gehäuseteil (2, 11) an ihrer jeweiligen von dem Messkanal (6) abgewandten Außenfläche mehrere in Radialrichtung abstehende Versteifungsrippen (40, 41) aufweisen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (6) durch erste Seitenwände (22), an denen der oder der jeweilige Wellenleiter (10, 38, 39) und/oder das Reflexionselement (21) angeordnet sind, und zweite Seitenwände (27) gebildet ist, wobei wenigstens eine der zweiten Seitenwände (27) wenigstens eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Vertiefung (28) aufweist, die den Strömungsquerschnitt des Messkanals (6) vergrößert.