DE202015104291U1

DE202015104291U1 - Durchflussmessvorrichtung zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids

Info

Publication number: DE202015104291U1
Application number: DE202015104291.4U
Authority: DE
Original assignee: Sick Engineering GmbH
Current assignee: Sick Engineering GmbH
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2016-01-11
Anticipated expiration: 2025-08-15

Abstract

Durchflussmessvorrichtung (1) zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids (F), das in einer Leitung (L) in einer Haupt-Strömungsrichtung strömt, umfassend zumindest eine Ultraschalleinrichtung (2) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschalleinrichtung (2) eine Wandlereinheit (3) zum Erzeugen und/oder Aufnehmen der Ultraschallwellen und eine Übertragungseinheit (4) zum Übertragen der Ultraschallwellen auf die Leitung (L) aufweist, und wobei die Ultraschalleinrichtung (2) mittels der Übertragungseinheit (4) an einer Außenseite einer Wand der Leitung (L) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (4) auf einer der Leitung (L) gegenüberliegenden Seite eine 3D-Struktur (7) aufweist, wobei in die 3D-Struktur (7) der Übertragungseinheit (4) eine auf einer Seite einer Dämpfungsschicht (6) vorgesehene 3D-Gegenstruktur (8) einsetzbar ist, so dass sich eine formschlüssige Kontaktfläche zwischen der Übertragungseinheit (4) und der Dämpfungsschicht (6) ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, das in einer Leitung in einer Haupt-Strömungsrichtung strömt.
Um die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung, vorzugsweise ein Rohr, zu bestimmen, gibt es neben verschiedenen physikalischen Prinzipien den Einsatz von Schallwellen, die in die Leitung ausgesendet werden. Hierbei werden sogenannte Clamp-On Durchflussmessvorrichtungen verwendet, bei denen sogenannte Clamp-On Wandler auf die mit Fluid durchflossenen Röhren gespannt werden.
Die Qualität der Messung hängt maßgeblich von der Güte einer Einkopplung der Wellen von dem Wandler in die Rohrwand ab.
Ein Grundaufbau einer solchen Clamp-On Messvorrichtung ist in den Druckschriften US 3,869,915 , US 3,987,674 oder US 4,373,401 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Durchflussmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, dass eine erhöhte Messqualität der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids gewährbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Durchflussmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Durchflussmessvorrichtung zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, das in einer Leitung in einer Haupt-Strömungsrichtung strömt, umfasst zumindest eine Ultraschalleinrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen, die eine Wandlereinheit zum Erzeugen und/oder Aufnehmen der Ultraschallwellen und eine Übertragungseinheit zum Übertragen der Ultraschallwellen auf die Leitung aufweist, und mittels der Übertragungseinheit an einer Außenseite einer Wand der Leitung befestigt ist, wobei die Übertragungseinheit auf einer der Leitung gegenüberliegenden Seite eine 3D-Struktur aufweist, wobei in die 3D-Struktur der Übertragungseinheit eine auf einer Seite einer Dämpfungsschicht vorgesehene 3D-Gegenstruktur einsetzbar ist, so dass sich eine formschlüssige Kontaktfläche zwischen der Übertragungseinheit und der Dämpfungsschicht ergibt.
Hierdurch ist es vorteilhaft, dass eine Anregung gewünschter Wellen in der Außenwand der Leitung mit hoher Qualität möglich ist, d.h. die Anregung ungewollter Wellenanteile wird konstruktiv vermieden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die 3D-Struktur und die 3D-Gegenstruktur derart formschlüssig zueinander ausgebildet, so dass sich eine stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Übertragungseinheit und der Dämpfungsschicht an der Kontaktfläche ergibt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die 3D-Struktur und die 3D-Gegenstruktur kammartig, wabenartig oder pyramidenartig ausgebildet. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass keine störenden Reflexionen an der Grenzschicht der Übertragungseinheit-Dämpfungsschicht auftreten und die Übertragungseinheit und die Dämpfungsschicht dennoch mittels einfacher und effizienter Fertigungstechnologien herstellbar sind.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Wandlereinheit einen piezoelektrischen Wandler und die Übertragungseinheit einen Keil.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungsschicht aus einen mit Partikeln von hochdichten Metallen gefüllten Elastomere gebildet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Übertragungseinheit auf einer an die Leitung anliegenden Seite zwei Ecken auf, wobei die Ecken jeweils einen Winkel kleiner 180° und größer als 90° umfassen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der sich näher an der Wandlereinheit befindende Winkel kleiner als der sich weiter von der Wandlereinheit befindende Winkel.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bekannten Durchflussmessvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Übertragungseinheit;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Übertragungseinheit.
In der 1 ist eine bekannte Durchflussmessvorrichtung 1 schematisch dargestellt, die an einer Außenseite einer Wand einer Leitung L befestigt ist, in der ein Fluid F in einer Haupt-Strömungsrichtung strömt. Die Leitung L ist vorzugsweise ein Rohr mit einer definierten Wandstärke.
Die Durchflussmessvorrichtung 1 umfasst zumindest eine Ultraschalleinrichtung 2, die zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen vorgesehen ist.
Bei der dargestellten Durchflussmessvorrichtung 1 sind zwei Ultraschalleinrichtungen 2 vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Fluids F schräg gegenüberliegend an den Außenseiten der Wände der Leitung L angeordnet sind. Hierdurch können eine Ultraschalleinrichtung 2 als Sender und die andere Ultraschalleinrichtung 2 als Empfänger fungieren.
Die Ultraschalleinrichtung 2 weist eine Wandlereinheit 3 zum Erzeugen und/oder zum Aufnehmen der Ultraschallwellen und eine Übertragungseinheit 4 zum Übertragen der Ultraschallwellen auf die Leitung L auf. Die Wandlereinheit 3 umfasst einen piezoelektrischen Wandler, der die Ultraschallwellen erzeugt und/oder aufnimmt, wobei die Ultraschallwellen quer durch die Leitung L und das Fluid F ausgesendet werden, um die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids zu bestimmen.
Auf einer Seite ist die Wandlereinheit 3 an die Übertragungseinheit 4 befestigt. Auf der anderen Seite der Wandlereinheit 3 ist ein Dämpfungselement 5 vorgesehen, das Störungen auf die Wandlereinheit 3 minimieren soll.
Zum Einkoppeln bzw. Übertragen der Ultraschallwellen von der Wandlereinheit 3 auf die Leitung L ist die Übertragungseinheit 4, insbesondere in Form eines Anpasskeils, an der Außenseite der Wand der Leitung L befestigt.
Auf einer der Leitung L gegenüberliegenden Seite der Übertragungseinheit 4 ist eine Dämpfungsschicht 6 vorgesehen.
Wie in der 2 gezeigt, ist die erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung 2 detaillierter dargestellt.
Hierbei weist erfindungsgemäß die Übertragungseinheit 4 auf einer der Leitung L gegenüberliegenden Seite eine 3D-Struktur 7 auf. Die 3D-Struktur 7 verläuft entlang der gesamten Seite der Übertragungseinheit 4, so dass schräg in die 3D-Struktur 7 einfallende Wellen gedämpft werden.
3D-Struktur ist nach Verständnis der Erfindung eine dreidimensionale Formgestaltung einer Außenfläche der Übertragungseinheit 4, so dass die 3D-Struktur 7 bzw. die Außenfläche der Übertragungseinheit 4 kammartig, wabenartig oder pyramidenartig ausgebildet ist.
Die Dämpfungsschicht 6 weist eine auf der die Übertragungseinheit 4 zugewandten Seite 3D-Gegenstruktur 8 auf, die in die 3D-Struktur 7 der Übertragungseinheit 4 einsetzbar ist, so dass sich eine formschlüssige Kontaktfläche zwischen der Übertragungseinheit 4 und der Dämpfungsschicht 6 ergibt.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass die 3D-Struktur 7 der Übertragungseinheit 4 und die 3D-Gegenstruktur 8 der Dämpfungsschicht 6 derart formschlüssig zueinander ausgebildet sind, so dass sich sich eine stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Übertragungseinheit 4 und der Dämpfungsschicht 6 ergibt.
Beim Zusammensetzen der Übertragungseinheit 4 und der Dämpfungsschicht 6 bzw. Ineinandersetzen der 3D-Struktur 7 der Übertragungseinheit 4 und der 3D-Gegenstruktur 8 der Dämpfungsschicht 6 wird ein einziger Körper gebildet, so dass ein Hauptteil der erzeugten Ultraschallwellen durch die Übertragungseinheit 4 auf die Leitung L übertragen und störende Anteile von Ultraschallwellen durch Diffusion, Absorption und Reflexion in der 3D-Struktur 7 und 3D-Gegenstruktur 8 minimiert werden.
Ferner ist die der 3D-Struktur 7 gegenüberliegende und zum Anliegen an die Leitung L vorgesehene Seite der Übertragungseinheit 4 nicht durchgehend planar bzw. vollständig eben, sondern weist zwei Neigungen auf, so dass die Übertragungseinheit 4 auf dieser Seite zwei Ecken 9a, 9b aufweist.
Die Ecken 9a, 9b umfassen jeweils einen Winkel α, β kleiner 180° und größer 90°.
Die Winkel α, β sind so ausgelegt, dass der Winkel α, der sich näher an der Wandlereinheit 3 befindet, kleiner als der Winkel β ist, der sich weiter von der Wandlereinheit 3 befindet. Hierdurch ist jeweils ein Schenkel der Winkel α, β in Richtung der 3D-Struktur 7 und 3D-Gegenstruktur 8 gerichtet, so dass die störenden Anteile von Ultraschallwellen nicht auf die Kontaktfläche zwischen der Übertragungseinheit 4 und der Leitung L gelangen, sondern gezielt zu der 3D-Struktur 7 und 3D-Gegenstruktur 8 und damit zu der Dämpfungsschicht 6 reflektiert werden, wo sie absorpiert und gestreut werden. Vorteilhafterweise ist die Dämpfungsschicht 6 aus einem mit Partikeln von hochdichten Metallen gefüllten Elastomer gebildet.
In den 3 und 4 sind jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Übertragungseinheit 4 und die entsprechende 3D-Struktur 7 schematisch dargestellt.
Die 3D-Struktur 7 ist in der 3 kammartig ausgebildet. Die nicht dargestellte 3D-Gegenstruktur 8 an der Dämpfungsschicht 6 ist entsprechend entgegengesetzt ausgebildet. Eine Herstellung der kammartigen 3D-Struktur 7 bzw. 3D-Gegenstruktur 8 ist technisch einfach durchführbar.
Die Herstellung der in der 4 gezeigten pyramidenartigen 3D-Struktur 7 ist im Vergleich zu der kammartigen 3D-Struktur 7 technisch schwieriger, jedoch ist der Reduzierungseffekt der störenden Anteile von Ultraschallwellen durch die pyramidenartige 3D-Struktur 7 gegenüber der kammartigen 3D-Struktur 7 wesentlich größer, so dass eine noch genauere Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit erzielbar wäre.
Die nicht dargestellte wabenartige Ausführung der 3D-Struktur 7 stellt eine Lösung zwischen der kammartigen und pyramidenartigen 3D-Struktur 7 dar.
Bezugszeichenliste

1: Durchflussmessvorrichtung
2: Ultraschalleinrichtung
3: Wandlereinheit
4: Übertragungseinheit
5: Dämpfungselement
6: Dämpfungsschicht
7: 3D-Struktur
8: 3D-Gegenstruktur
9a, 9b: Ecken
F: Fluid
L: Leitung
α, β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3869915 [0004]
US 3987674 [0004]
US 4373401 [0004]

Claims

Durchflussmessvorrichtung (1) zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids (F), das in einer Leitung (L) in einer Haupt-Strömungsrichtung strömt, umfassend zumindest eine Ultraschalleinrichtung (2) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen, wobei die Ultraschalleinrichtung (2) eine Wandlereinheit (3) zum Erzeugen und/oder Aufnehmen der Ultraschallwellen und eine Übertragungseinheit (4) zum Übertragen der Ultraschallwellen auf die Leitung (L) aufweist, und wobei die Ultraschalleinrichtung (2) mittels der Übertragungseinheit (4) an einer Außenseite einer Wand der Leitung (L) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (4) auf einer der Leitung (L) gegenüberliegenden Seite eine 3D-Struktur (7) aufweist, wobei in die 3D-Struktur (7) der Übertragungseinheit (4) eine auf einer Seite einer Dämpfungsschicht (6) vorgesehene 3D-Gegenstruktur (8) einsetzbar ist, so dass sich eine formschlüssige Kontaktfläche zwischen der Übertragungseinheit (4) und der Dämpfungsschicht (6) ergibt.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Struktur (7) und die 3D-Gegenstruktur (8) derart formschlüssig zueinander ausgebildet sind, so dass sich eine stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Übertragungseinheit (4) und der Dämpfungsschicht (6) an der Kontaktfläche ergibt.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Struktur (7) und die 3D-Gegenstruktur (8) kammartig, wabenartig oder pyramidenartig ausgebildet sind.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (3) einen piezoelektrischen Wandler und die Übertragungseinheit (4) einen Keil umfassen.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsschicht (6) aus einem mit Partikeln von hochdichten Metallen gefüllten Elastomer gebildet ist.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (4) auf einer an die Leitung (L) anliegenden Seite zwei Ecken (9a, 9b) aufweist, wobei die Ecken (9a, 9b) jeweils einen Winkel (α, β) kleiner 180° und größer als 90° umfassen.
Durchflussmessvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich näher an der Wandlereinheit (3) befindende Winkel (α) kleiner als der sich weiter von der Wandlereinheit (3) befindende Winkel (β) ist.