WO2022053265A1 - Ultraschallwandler und clamp-on-ultraschall-durchflussmessgerät - Google Patents

Ultraschallwandler und clamp-on-ultraschall-durchflussmessgerät Download PDF

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WO2022053265A1
WO2022053265A1 PCT/EP2021/072741 EP2021072741W WO2022053265A1 WO 2022053265 A1 WO2022053265 A1 WO 2022053265A1 EP 2021072741 W EP2021072741 W EP 2021072741W WO 2022053265 A1 WO2022053265 A1 WO 2022053265A1
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WO
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ultrasonic
measuring tube
transducer
ultrasonic transducer
coupling element
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PCT/EP2021/072741
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English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Wiest
Andreas Berger
Beat Kissling
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flow meter for measuring a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a pipeline.
  • ultrasonic transducers are attached to an outside of a measuring tube, by means of which ultrasonic signals are radiated into the measuring tube and ultrasonic signals emerging from the measuring tube are detected.
  • Ultrasonic transducers for such measuring devices have a coupling element which is set up to transmit the ultrasonic signals between the measuring tube and a transducer element, as can be seen, for example, from DE102010063535A1.
  • a critical aspect of such coupling elements is the acoustic resistance between the coupling element and the pipeline, which makes it difficult for sound to pass between the coupling element and the pipeline and vice versa.
  • the object of the invention is to propose an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flowmeter with such an ultrasonic transducer, in which a good and robust sound transmission can be guaranteed.
  • the object is achieved by an ultrasonic transducer according to independent claim 1 and by a clamp-on ultrasonic flow meter according to independent claim 5.
  • An ultrasonic transducer according to the invention of a clamp-on ultrasonic flow meter comprises:
  • a transducer element in particular a piezo element, for generating and detecting ultrasonic signals
  • a coupling element with a first side and a second side the coupling element being set up in particular to be acoustically coupled to a medium-carrying pipeline via the second side and to transmit ultrasonic signals between the transducer element and the pipeline and vice versa,
  • the transducer element is arranged on a side surface of the first side, the second side having a side surface with a depression structure with at least one depression, which depression structure reduces a bearing surface of the side surface, the ultrasonic signals that can be generated by the transducer elements having a central frequency, which central frequency is im
  • the indentation area corresponds to the portion of the reference area that covers an indentation.
  • the reference surface is thus a continuation of the bearing surface across the indentations.
  • the ultrasonic transducer is preferably set up to radiate ultrasonic signals along one direction into a measuring tube.
  • the indentations each have a minimum depth of 0.1 millimeters and in particular 0.2 millimeters and preferably 0.5 millimeters and/or a maximum depth of 20 millimeters and in particular 15 millimeters and preferably 10 millimeters.
  • the side surface of the second side has a curvature.
  • the coupling element can advantageously be placed on a curved outer surface of a measuring tube.
  • the coupling element is made from a metal such as aluminum or steel, or from a ceramic such as aluminum oxide, zirconium oxide or silicon nitride, or from a metallic or non-metallic glass.
  • the area ratio is at most 2 and in particular at most 1.5.
  • An upper limit for the area ratio ensures good ultrasonic signal transmission between the coupling element and the pipeline, since otherwise there would only be a small contact area. In addition, it is ensured that mechanical stability of the coupling element is guaranteed in the area of the bearing surface. If the contact surface is too small, high contact pressures can lead to undesired deformations of the coupling element.
  • RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Description of a measuring tube for guiding the medium, at least one pair of ultrasonic transducers according to one of the preceding claims, an electronic measuring/operating circuit for operating the ultrasonic transducers, for evaluating measurement signals and providing flow measurement values.
  • the measuring tube can be part of an existing pipeline to which the ultrasonic transducers are subsequently attached, or installed in a pipeline together with the ultrasonic transducers.
  • the outside of the measuring tube has at least one flat surface designed to accommodate at least one ultrasonic transducer.
  • the measuring tube has an outer radius, with the side surface of the second side of the coupling element having a curvature, which curvature has a radius of curvature, the radius of curvature being at most 10 percent larger than the outer radius, and the radius of curvature corresponding at least to the value of the outer radius .
  • the coupling element rests securely and sturdily on the measuring tube.
  • This is advantageous for measuring tubes with a round cross-section without a flat contact surface for ultrasonic transducers.
  • a radius of curvature slightly larger than the outer radius also makes it easier to use a metal foil between the coupling element and the measuring tube.
  • a metal foil is arranged between each ultrasonic converter and the measuring tube, which is set up to further improve an acoustic coupling between the ultrasonic converter and the measuring tube.
  • the metal foil has the property that an existing surface roughness of the measuring tube for the coupling element is smoothed out.
  • the film at least partially adapts to the surface of the measuring tube.
  • the metal foil has an acoustic index between the acoustic index of the measuring tube and the acoustic index of the coupling element.
  • an average surface pressure of the ultrasonic transducers on the measuring tube is at least 0.1 megapascal, and in particular at least 1 megapascal and preferably at least 10 megapascals.
  • a corresponding surface pressure improves the coupling and smoothes the metal foil when present.
  • the surface pressure can be adjusted by a person skilled in the art depending on the material of the metal foil and a process temperature.
  • the flow meter is suitable for carrying media with a temperature above 200 degrees.
  • Fig. 1 outlines an exemplary schematic clamp-on ultrasonic flow meter
  • Fig. 2 outlines a detailed view of an ultrasonic transducer shown in Fig. 1,
  • Fig. 4 outlines cross sections of exemplary depressions according to the invention
  • Fig. 1 sketches a schematic side view of an exemplary clamp-on ultrasonic flow meter 1 for measuring a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a pipeline, which has a measuring tube 20 with a measuring tube axis 23, two ultrasonic transducers mounted on an outer side 21 of the measuring tube 10 and an electronic measuring Z operating circuit 30 for operating the ultrasonic transducer and for evaluating measurement signals and providing
  • Each ultrasonic transducer has a migrating element 11 and a coupling element 12 .
  • the converter element can be a piezo element.
  • the measuring tube can be part of an existing pipeline to which the ultrasonic transducers are subsequently attached, or installed in a pipeline together with the ultrasonic transducers.
  • the ultrasonic transducers are configured here by way of example in such a way that a 2-traverse path of ultrasonic signals through the measuring tube with a reflection on an inner wall of the measuring tube results. Configurations with one truss or three or more trusses are also known to a person skilled in the art and he will choose one that is suitable for him.
  • Each ultrasonic transducer has a migrating element 11 and a coupling element 12 .
  • FIG. 2 sketches a close-up of an ultrasonic transducer shown in FIG. 1, the transducer element being arranged on a side surface 12.11 of a first side 12.1 of the coupling element, facing away from the measuring tube.
  • the coupling element is acoustically coupled to the measuring tube via a side surface 12.21 of a second side 12.2 facing the measuring tube.
  • a metal foil 40 can be arranged between the measuring tube 20 and the coupling element 12, which is set up to compensate for unevenness of the measuring tube on the outside in the area of the ultrasonic transducer and thus to produce an improved acoustic contact.
  • the side surface 12.21 of the second side has an indentation structure, which is shown in Figs. 3 a) to c) is explained in more detail.
  • 3 a outlines an exemplary depression structure with a plurality of parallel depressions 12.3, which run parallel to a short edge of the side surface of the second side, only two depressions being identified for the sake of clarity.
  • the indentations reduce a bearing surface 12.4 of the side surface.
  • only two areas of the bearing surface are marked for the sake of clarity.
  • the side surface 12.21 of the second side without considering the indentation defines a reference surface, with each point in a central area of the reference surface being assigned a circular environment U with a diameter, which environment is completely covered by the reference surface.
  • the central area of the reference surface i.e. the union of all surroundings U.
  • a lower limit of the area ratio increases a surface pressure for a given contact pressure, while the upper limit ensures that there is sufficient contact area.
  • FIG. 3b outlines an embodiment in which the depressions run parallel to a long edge of the side surface of the second side.
  • FIG. 4 outlines three exemplary cross sections through elongated indentations, the cross sections having a triangular shape, a rectangular shape, or a circular shape. Other cross-sectional shapes are conceivable. The same applies to circular indentations such as bores.
  • Fig. 5 sketches two front views of two exemplary configurations of measuring tube 20 and coupling element 12, in which case the measuring tube can be partially flat on the outside, so that a coupling element with a flat side surface 12.21 on the second side can be placed on the measuring tube.
  • the coupling element can also have a side surface 12.21 on the second side

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (10) eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts (1) umfassend: - Ein Wandlerelement (11), insbesondere ein Piezoelement, zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen; - Ein Koppelelement (12) mit einer ersten Seite (12.1) und einer zweiten Seite (12.2), wobei das Wandlerelement auf einer Seitenfläche (12.11) der ersten Seite angeordnet ist, wobei die zweite Seite eine Seitenfläche (12.21) mit einer Vertiefungsstruktur mit zumindest einer Vertiefung (12.3) aufweist welche Vertiefungsstruktur eine Auflagefläche der Seitenfläche verringert, - wobei die Seitenfläche der zweiten Seite eine Referenzfläche definiert, wobei jedem Punkt in einem Zentralbereich der Referenzfläche eine kreisförmige Umgebung (U) mit einem Durchmesser (D) zugeordnet wird, welche Umgebung vollständig durch die Referenzfläche überdeckt ist, in jeder Umgebung (U) ein Flächenverhältnis Vertiefungsfläche zu Auflagefläche mindestens 0.5 ist, wobei folgendes gilt: D=WL/2.

Description

Beschreibung
Ultraschallwandler und Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler und ein Clamp-On-Ultraschall- Durchflussmessgerät zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums.
Bei Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden an einer Außenseite eines Messrohrs Ultraschallwandler angebracht, mittels welchen Ultraschallsignale in das Messrohr eingestrahlt und aus dem Messrohr austretende Ultraschallsignale erfasst werden. Ultraschallwandler für solche Messgeräte weisen ein Koppelelement auf, welches dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsignale zwischen Messrohr und einem Wandlerelement zu übertragen, wie beispielsweise aus der DE102010063535A1 hervorgeht. Kritisch bei solchen Koppelelementen ist der akustische Widerstand zwischen Koppelelement und Rohrleitung, welcher einen Schallübertritt zwischen Koppelelement und Rohrleitung bzw. umgekehrt erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler sowie ein Clamp-On- Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem solchen Ultraschallwandler vorzuschlagen, bei welchem ein guter und robuster Schallübertritt gewährleistbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallwandler gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 5.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eines Clamp-On-Ultraschall- Durchflussmessgeräts umfasst:
Ein Wandlerelement, insbesondere ein Piezoelement, zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen;
Ein Koppelelement mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei das Koppelelement insbesondere dazu eingerichtet ist, über die zweite Seite mit einer medienführenden Rohrleitung akustisch gekoppelt zu werden und Ultraschallsignale zwischen Wandlerelement und Rohrleitung sowie umgekehrt zu übertragen,
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung wobei das Wandlerelement auf einer Seitenfläche der ersten Seite angeordnet ist, wobei die zweite Seite eine Seitenfläche mit einer Vertiefungsstruktur mit zumindest einer Vertiefung aufweist, welche Vertiefungsstruktur eine Auflagefläche der Seitenfläche verringert, wobei die durch die Wandlerelemente erzeugbaren Ultraschallsignale eine Zentralfrequenz aufweisen, welcher Zentralfrequenz im Koppelelement eine Wellenlänge zugeordnet ist, wobei die Seitenfläche der zweiten Seite ohne Berücksichtigung der Vertiefung eine Referenzfläche definiert, wobei jedem Punkt in einem Zentralbereich der Referenzfläche eine kreisförmige Umgebung mit einem Durchmesser zugeordnet ist, welche Umgebung vollständig durch die Referenzfläche überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Umgebung ein Flächenverhältnis Vertiefungsfläche zu Auflagefläche mindestens 0.25 und insbesondere mindestens 0.5, uns bevorzugt mindestens 0.75 ist, und wobei das Flächenverhältnis höchstens 15, und insbesondere höchstens 10 und bevorzugt höchstens 8 ist, wobei folgendes gilt: Durchmesser=Wellenlänge/2.
Auf diese Weise kann bei Einsatz des Ultraschallwandlers bei einer gegebenen Anpresskraft eine mittlere Flächenpressung der Auflagefläche auf ein Messrohr erhöht werden. Durch die Einhaltung des Mindestwerts des Flächenverhältnisses in jeder Umgebung U kann eine störende Lambwellenerzeugung in einer Messrohrwandung vermieden werden. Durch Einhaltung des Maximalwerts ist eine ausreichende Auflagefläche gewährleistet.
Die Vertiefungsfläche entspricht dabei dem Anteil der Referenzfläche, der eine Vertiefung überdeckt. Die Referenzfläche ist somit eine Fortsetzung der Auflagefläche über die Vertiefungen hinweg.
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung
Der Ultraschallwandler ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, Ultraschallsignale entlang einer Richtung in ein Messrohr einzustrahlen.
In einer Ausgestaltung weisen die Vertiefungen jeweils eine Mindesttiefe von 0.1 Millimeter und insbesondere 0.2 Millimeter und bevorzugt 0.5 Millimeter und/oder eine Höchsttiefe von 20 Millimeter und insbesondere 15 Millimeter und bevorzugt 10 Millimeter auf.
In einer Ausgestaltung weist die Seitenfläche der zweiten Seite eine Wölbung auf.
Auf diese Weise kann das Koppelelement vorteilhaft auf eine gekrümmte Außenfläche eines Messrohrs angelegt werden.
In einer Ausgestaltung ist das Koppelelement aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder einem Stahl, oder aus einer Keramik wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid, oder aus einem metallischen oder nichtmetallischen Glas gefertigt.
Auf diese Weise ist es hochtemperaturfest und einsetzbar bei Temperaturen von über 200°C.
In einer Ausgestaltung ist das Flächenverhältnis maximal 2 und insbesondere maximal 1.5.
Eine Obergrenze für das Flächenverhältnis gewährleistet einen guten Ultraschallsignalübertritt zwischen Koppelelement und Rohrleitung, da anderenfalls nur wenig Auflagefläche bestünde. Außerdem ist sichergestellt, dass eine mechanische Stabilität des Koppelelements im Bereich der Auflagefläche gewährleistet ist. Eine zu geringe Auflagefläche kann bei hohen Anpressdrücken zu unerwünschten Verformungen des Koppelelements führen.
Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit bzw. des Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfasst:
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung ein Messrohr zum Führen des Mediums, zumindest ein Paar Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler, zum Auswerten von Messsignalen und Bereitstellen von Durchflussmesswerten.
Das Messrohr kann dabei Teil einer bestehenden Rohrleitung sein, an welche nachträglich die Ultraschallwandler angebracht werden, oder in eine Rohrleitung mitsamt der Ultraschallwandler eingebaut werden.
In einer Ausgestaltung weist das Messrohr auf einer Außenseite zumindest eine ebene Fläche eingerichtet zur Aufnahme mindestens eines Ultraschallwandlers auf.
In einer Ausgestaltung weist das Messrohr einen Außenradius auf, wobei die Seitenfläche der zweiten Seite des Koppelelements eine Wölbung aufweist, welche Wölbung einen Krümmungsradius aufweist, wobei der Wölbungsradius maximal 10 Prozent größer ist als der Außenradius, und wobei der Wölbungsradius minimal dem Wert des Außenradius entspricht.
Auf diese Weise liegt das Koppelelement sicher und robust auf dem Messrohr auf. Dies ist bei Messrohren mit rundem Querschnitt ohne ebene Auflagefläche für Ultraschallwandler vorteilhaft. Ein Wölbungsradius leicht größer als der Außenradius erleichtert auch die Verwendung einer Metallfolie zwischen Koppelelement und Messrohr.
In einer Ausgestaltung ist zwischen jedem Ultraschallwandler und dem Messrohr eine Metallfolie angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, eine akustische Kopplung zwischen Ultraschallwandler und Messrohr weiter zu verbessern.
Die Metallfolie hat die Eigenschaft, dass eine vorliegende Oberflächenrauigkeit des Messrohrs für das Koppelelement geglättet wird. Die Folie passt sich der Oberfläche des Messrohrs zumindest teilweise an.
Insbesondere hat die Metallfolie einen akustischen Index zwischen dem akustischen Indes des Messrohrs und dem akustischen Index des Koppelelements. Dadurch wird
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung der Schal lübertritt zwischen Messrohr und Koppelelement und umgekehrt weiter verbessert.
In einer Ausgestaltung beträgt eine mittlere Flächenpressung der Ultraschallwandler auf das Messrohr zumindest 0.1 Megapascal, und insbesondere mindestens 1 Megapascal und bevorzugt mindestens 10 Megapascal.
Eine entsprechende Flächenpressung verbessert die Kopplung und glättet bei Vorliegen die Metallfolie. Die Flächenpressung kann dabei vom Fachmann in Abhängigkeit des Materials der Metallfolie sowie einer Prozesstemperatur angepasst werden.
In einer Ausgestaltung ist das Durchflussmessgerät dazu geeignet, Medien mit einer Temperatur oberhalb von 200 Grad zu führen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 skizziert ein beispielhaftes schematisches Clamp-On-Ultraschall- Durchflussmessgerät,
Fig. 2 skizziert eine Detailansicht eines in Fig. 1 gezeigten Ultraschallwandlers,
Fig. 3 a) bis c) skizzieren verschiedene beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen eines Koppelelements eines Ultraschallwandler eines Clamp-On- Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
Fig. 4 skizziert Querschnitte von beispielhaften erfindungsgemäßen Vertiefungen,
Fig. 5 skizziert beispielhafte Ausgestaltungen einer Auflagefläche des Koppelelements.
Fig. 1 skizziert eine schematische Seitenansicht auf ein beispielhaftes Clamp-On- Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit oder eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums, welches ein Messrohr 20 mit einer Messrohrachse 23, zwei auf einer Außenseite 21 des Messrohrs angebrachte Ultraschallwandler 10 sowie eine elektronische Mess-ZBetriebsschaltung 30 zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Auswerten von Messsignalen und Bereitstellen von
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung
Durchflussmesswerten. Jeder Ultraschallwandler weist dabei ein Wanderelement 11 und ein Koppelelement 12 auf. Das Wandlerelement kann dabei ein Piezoelement sein. Das Messrohr kann dabei Teil einer bestehenden Rohrleitung sein, an welche nachträglich die Ultraschallwandler angebracht werden, oder in eine Rohrleitung mitsamt der Ultraschallwandler eingebaut werden. Die Ultraschallwandler sind hier beispielhaft so konfiguriert, dass sich ein 2-Traversen-Pfad von Ultraschallsignalen durch das Messrohr mit einer Reflektion an einer Messrohrinnenwand ergibt. Dem Fachmann sind auch Konfigurationen mit einer Traversen oder drei oder mehr Traversen bekannt und wird von sich aus eine für ihn geeignete wählen. Jeder Ultraschallwandler weist dabei ein Wanderelement 11 und ein Koppelelement 12 auf.
Fig. 2 skizziert eine Nahhaufnahme eines in Fig. 1 gezeigten Ultraschallwandlers, wobei das Wandlerelement auf einer Seitenfläche 12.11 einer ersten, dem Messrohr abgewandten Seite 12.1 des Koppelelements angeordnet ist. Das Koppelement ist über eine Seitenfläche 12.21 einer zweiten, dem Messrohr zugewandte Seite 12.2 mit dem Messrohr akustisch gekoppelt. Zwischen Messrohr 20 und Koppelelement 12 kann wie hier gezeigt eine Metallfolie 40 angeordnet sein, welche dazu eingerichtet ist, Unebenheiten des Messrohrs auf der Außenseite im Bereich des Ultraschallwandlers auszugleichen und somit einen verbesserten akustischen Kontakt herzustellen. Erfindungsgemäß weist die Seitenfläche 12.21 der zweiten Seite eine Vertiefungsstruktur auf, welche in Figs. 3 a) bis c) genauer erläutert ist.
Fig. 3 a) skizziert eine beispielhafte Vertiefungsstruktur mit mehreren parallelen Vertiefungen 12.3, welche parallel zu einem kurzen Rand der Seitenfläche der zweiten Seite verlaufen, wobei der Übersicht halber nur zwei Vertiefungen gekennzeichnet sind. Die Vertiefungen verringern eine Auflagefläche 12.4 der Seitenfläche. Auch hierbei sind der Übersicht halber nur zwei Bereiche der Auflagefläche gekennzeichnet.
Die Seitenfläche 12.21 der zweiten Seite ohne Berücksichtigung der Vertiefung definiert eine Referenzfläche, wobei jedem Punkt in einem Zentralbereich der Referenzfläche eine kreisförmige Umgebung U mit einem Durchmesser zugeordnet ist, welche Umgebung vollständig durch die Referenzfläche überdeckt ist. Der Zentralbereich der Referenzfläche also die Vereinigung aller Umgebungen U.
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung
Erfindungsgemäß gilt, dass in jeder Umgebung U ein Flächenverhältnis Vertiefungsfläche zu Auflagefläche mindestens 0.25 und insbesondere mindestens 0.5 und bevorzugt mindestens 0.75 ist, und wobei das Flächenverhältnis höchstens 15, und insbesondere höchstens 10 und bevorzugt höchstens 8 ist, wobei folgendes gilt: Durchmesser=Wellenlänge / 2. Es gilt also, dass der Mindestwert des Flächenverhältnisses nicht nur über die gesamte Seitenfläche, sondern auch lokal innerhalb jeder der hier definierten Umgebungen U eingehalten wird.
Bei Einsatz des Ultraschallwandlers wird durch eine Untergrenze des Flächenverhältnisses eine Flächenpressung bei gegebener Anpresskraft erhöht, durch die Obergrenze wird erreicht, dass ausreichend Kontaktfläche vorhanden ist.
Fig. 3 b) skizziert eine Ausgestaltung, bei welcher die Vertiefungen parallel zu einem langen Rand der Seitenfläche der zweiten Seite verlaufen.
Fig. 3 c) skizziert beispielhaft weitere denkbare Formen der Vertiefungen, wie beispielsweise Zickzack, schräg zueinander verlaufend, sich kreuzend, bogenförmig, oder auch Vertiefungen in Form von Bohrungen.
Die in Figs. 3 a) bis c) gezeigten Vertiefungen sowie deren Orientierungen zueinander sind rein beispielhaft und können auch miteinander kombiniert werden.
Fig. 4 skizziert drei beispielhafte Querschnitte durch längliche Vertiefungen, wobei die Querschnitte eine dreieckige Form, eine rechteckige Form oder eine runde Form aufweisen. Auf andere Querschnittsformen sind denkbar. Entsprechendes gilt auch für kreisförmige Vertiefungen wie beispielsweise Bohrungen.
Fig. 5 skizziert zwei Frontansichten auf zwei beispielhafte Ausformungen von Messrohr 20 und Koppelelement 12, wobei das Messrohr auf der Außenseite abschnittsweise eben ausgebildet sein kann, so dass ein Koppelelement mit ebener Seitenfläche 12.21 der zweiten Seite auf das Messrohr aufgelegt werden kann.
Alternativ kann das Koppelelement auch eine Seitenfläche 12.21 der zweiten Seite
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung mit einer Wölbung 12.212 aufweisen, welche an eine Krümmung der Außenseite mit einem Krümmungsradius 12.2121 angepasst ist.
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung
Bezugszeichenliste
1 Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
10 Ultraschallwandler
11 Wandlerelement
12 Koppelelement
12.1 erste Seite
12.11 Seitenfläche der ersten Seite
12.2 zweite Seite
12.21 Seitenfläche der zweiten Seite
12.212 Wölbung
12.2121 Krümmungsradius
12.3 Vertiefung
12.4 Auflagefläche
20 Messrohr
21 Außenseite
21.1 ebene Fläche
22 Außenradius
23 Längsachse
30 elektronische Mess-/Betriebsschaltung
40 Metallfolie
T Tiefe
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Beschreibung
U kreisförmige Umgebung
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler (10) eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts (1) umfassend:
Ein Wandlerelement (11), insbesondere ein Piezoelement, zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen;
Ein Koppelelement (12) mit einer ersten Seite (12.1) und einer zweiten Seite (12.2), wobei das Koppelelement insbesondere dazu eingerichtet ist, über die zweite Seite mit einer medienführenden Rohrleitung akustisch gekoppelt zu werden und Ultraschallsignale zwischen Wandlerelement und Rohrleitung sowie umgekehrt zu übertragen, wobei das Wandlerelement auf einer ersten Seitenfläche (12.11) der ersten Seite angeordnet ist, wobei die zweite Seite eine zweite Seitenfläche (12.21) mit einer Vertiefungsstruktur mit zumindest einer Vertiefung (12.3) aufweist, welche Vertiefung eine Auflagefläche (12.4) der Seitenfläche verringert, wobei die durch die Wandlerelemente erzeugbaren Ultraschallsignale eine Zentralfrequenz aufweisen, welcher Zentralfrequenz im Koppelelement eine Wellenlänge zugeordnet ist, wobei die Seitenfläche (12.21) der zweiten Seite ohne Berücksichtigung der Vertiefung eine Referenzfläche definiert, wobei jedem Punkt in einem Zentralbereich der Referenzfläche eine kreisförmige Umgebung (U) mit einem Durchmesser zugeordnet ist, welche Umgebung vollständig durch die Referenzfläche überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Umgebung (U) ein Flächenverhältnis Vertiefungsfläche zu Auflagefläche mindestens 0.25 und insbesondere mindestens 0.5 und bevorzugt mindestens 0.75 ist, und wobei das Flächenverhältnis höchstens 15, und insbesondere höchstens 10 und bevorzugt höchstens 8 ist, wobei folgendes gilt: Durchmesser=Wellenlänge / 2.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 , wobei die Vertiefungen (12.3) jeweils eine Mindesttiefe von 0.1 Millimeter und insbesondere 0.2 Millimeter und bevorzugt 0.5 Millimeter und/oder eine Höchsttiefe von 20 Millimeter und insbesondere 15 Millimeter und bevorzugt 10 Millimeter aufweisen.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seitenfläche (12.21) der zweiten Seite eine Wölbung (12.211) aufweist, welche insbesondere konkav ist.
4. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (12) aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder einem Stahl, oder aus einer Keramik wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid, oder aus einem metallischen oder nichtmetallischen Glas gefertigt ist.
5. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Flächenverhältnis maximal 2 und insbesondere maximal 1.5 ist
6. Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit bzw. des Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfassend: ein Messrohr (20) zum Führen des Mediums, zumindest ein Paar Ultraschallwandler (10) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler an einer Außenseite (21) des Messrohrs befestigt sind, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (30) zum Betreiben der Ultraschallwandler, zum Auswerten von Messsignalen und Bereitstellen von Durchflussmesswerten.
7. Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, wobei das Messrohr (20) auf der Außenseite (21) zumindest eine ebene Fläche (21.1) eingerichtet zur Aufnahme mindestens eines Ultraschallwandlers aufweist.
8. Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, wobei das Messrohr (20) einen Außenradius (22) aufweist, wobei die Seitenfläche der zweiten Seite des Koppelelements eine Wölbung (12.212) aufweist, welche Wölbung einen Krümmungsradius (12.2121) aufweist, wobei der Wölbungsradius maximal 10 Prozent größer ist als der Außenradius, und wobei der Wölbungsradius minimal dem Wert des Außenradius entspricht.
9. Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei zwischen jedem Ultraschallwandler (10) und dem Messrohr (20) eine Metallfolie (40) angeordnet ist, welche dazu eingerichtet ist, eine akustische Kopplung zwischen Ultraschallwandler und Messrohr zu verbessern.
10. Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine mittlere Flächenpressung der Auflagefläche der Ultraschallwandler (10) auf das Messrohr (20) zumindest 0.5 Megapascal, und insbesondere mindestens 3 Megapascal und bevorzugt mindestens 10 Megapascal beträgt.
11 . Durchflussmessgerät nach einer der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Durchflussmessgerät (1 ) dazu geeignet ist, Medien mit einer Temperatur oberhalb von 200 Grad zu führen.
PCT/EP2021/072741 2020-09-11 2021-08-16 Ultraschallwandler und clamp-on-ultraschall-durchflussmessgerät WO2022053265A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020123737 2020-09-11
DE102020123737.5 2020-09-11

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Publication Number Publication Date
WO2022053265A1 true WO2022053265A1 (de) 2022-03-17

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PCT/EP2021/072741 WO2022053265A1 (de) 2020-09-11 2021-08-16 Ultraschallwandler und clamp-on-ultraschall-durchflussmessgerät

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Cited By (1)

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