DE102008055031A1 - Ultrasonic flow measuring system for determining and/or monitoring flow of measuring medium through measuring tube in e.g. process control engineering field, has projections formed symmetrically to intersection point of three planes - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchfluss-Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welches Ultraschall-Durchfluss-Messsystem mindestens einen ersten Ultraschallsender, einen ersten Ultraschallempfänger und mindestens einen zweiten Ultraschallempfänger aufweist.The The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a measuring tube, which ultrasonic flow measuring system at least a first ultrasonic transmitter, a first ultrasonic receiver and at least one second ultrasonic receiver.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way, the volume flow and / or Determine mass flow in a pipeline.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.The known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.At the Runtime difference principle, the different maturities of ultrasonic pulses relative to the flow direction of Liquid evaluated.
Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.For this Ultrasonic pulses are at a certain angle to the tube axis sent both with and against the flow. Out the transit time difference can be the flow rate and so that with known diameter of the pipe section of the volume flow determine.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.At the Doppler principle will be ultrasonic waves with a specific frequency coupled into the liquid and that of the liquid Evaluated reflected ultrasonic waves. From the frequency shift between the coupled and reflected waves also the flow rate of the liquid determine.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.reflections in the liquid, however, occur only when air bubbles or impurities are present in this, so this principle mainly with contaminated liquids Use finds.
Die
Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler
erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler
an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest
angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme
erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler
nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst.
Derartige Systeme sind z. B. aus der
Ein
weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem
Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der
Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden.One big advantage of clamp-on ultrasonic flow measuring systems is that they do not touch the measuring medium and on one already existing pipeline are attached.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem piezoelektrischen Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.The Ultrasonic transducers usually consist of a piezoelectric Element, also called piezo for short, and a coupling layer, also coupling wedge or less commonly called Vorlaufkörper. The coupling layer is usually made of plastic, the piezoelectric element exists in industrial process measuring technology usually from a piezoceramic. In the piezoelectric element, the Ultrasonic waves generated and the coupling layer to Passed pipe wall and from there into the liquid directed. Because the speed of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves broken in the transition from one medium to another. The angle of refraction is determined in the first approximation according to Snell's law. The angle of refraction is thus dependent on the ratio the propagation speeds in the media.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.Between the piezoelectric element and the coupling layer can be another Coupling layer may be arranged, a so-called adaptation layer. The adaptation layer assumes the function of Transmission of the ultrasonic signal and at the same time the reduction a reflection caused by different acoustic impedances at boundary layers between two materials.
Die
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mehrpfadiges Ultraschall-Durchfluss-Messsystem bereit zu stellen, welches sehr einfach aufgebaut und damit kostengünstig herzustellen ist.The The object of the invention is to provide a multi-path ultrasonic flow measuring system to provide, which is very simple and therefore inexpensive is to produce.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Durchfluss-Messsystem zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, welches Ultraschall-Durchfluss-Messsystem mindestens einen ersten Ultraschallsender, einen ersten Ultraschallempfänger und mindestens einen zweiten Ultraschallempfänger aufweist, wobei der erste Ultraschallsender mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches elektrische Signale in akustische Signale wandelt, und wobei die Ultraschallempfänger jeweils mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement aufweisen, welche akustische Signale in elektrische Signale wandeln, wobei das Messrohr eine Messrohrachse aufweist, und wobei der Ultraschallsender eine Mittelachse aufweist, welche die Messrohrachse senkrecht schneidet, wobei die Messrohrachse und die Mittelachse des Ultraschallsenders eine erste Ebene aufspannen, eine zweite Ebene senkrecht zur ersten Ebene steht, wobei die Messrohrachse in der zweiten Ebene Liegt, und eine dritte Ebene senkrecht auf der ersten Ebene und der zweiten Ebene steht, wobei die Mittelachse des Ultraschallsenders in der dritten Ebene liegt, wobei die Projektionen senkrecht zur zweiten Ebene der Ultraschallempfänger in die zweite Ebene im Wesentlichen punktsymmetrisch zu dem Schnittpunkt der drei Ebenen liegen.The object is achieved by an ultrasonic flow measuring system for determining and / or monitoring the flow of a Measuring medium through a measuring tube, which ultrasonic flow measuring system comprises at least a first ultrasonic transmitter, a first ultrasonic receiver and at least a second ultrasonic receiver, wherein the first ultrasonic transmitter has at least one electromechanical transducer element which converts electrical signals into acoustic signals, and wherein the ultrasonic receiver at least an electromechanical transducer element which converts acoustic signals into electrical signals, the measuring tube having a measuring tube axis, and wherein the ultrasonic transmitter has a central axis which perpendicularly intersects the measuring tube axis, wherein the measuring tube axis and the center axis of the ultrasonic transmitter span a first plane, a second plane is perpendicular to the first plane, wherein the measuring tube axis lies in the second plane, and a third plane is perpendicular to the first plane and the second plane, wherein the central axis of the ultrasound Lsenders lies in the third plane, wherein the projections are perpendicular to the second level of the ultrasonic receiver in the second plane substantially point-symmetrical to the intersection of the three planes.
Die elektromechanischen Wandlerelemente wandeln akustische Signale, insbesondere Ultraschallsignale, in elektrische Signale, insbesondere Spannungssignale, oder umgekehrt. Die elektromechanischen Wandler sind bevorzugt so genannte Dickenschwinger, welche longitudinale Ultraschallwellen erzeugen, insbesondere durch Druckschwingungen. In Fluiden werden lediglich Longitudinalwellen transportiert.The electromechanical transducer elements convert acoustic signals, in particular ultrasonic signals, into electrical signals, in particular voltage signals, or the other way around. The electromechanical transducers are preferably so called thickness oscillator, which longitudinal ultrasonic waves generate, in particular by pressure oscillations. Become in fluids only transported longitudinal waves.
Die erste, zweite und dritte Ebene sind gedachte Ebenen. Eine Gerade durch eine ebenfalls gedachte Mittelachse des Ultraschallsenders, welche die Messrohrachse schneidet, und eben die Messrohrachse spannen die erste gedachte Ebene auf. Die Messrohrachse liegt ebenfalls in der zweiten gedachten Ebene, welche senkrecht zur ersten Ebene steht. Die Messrohrachse ist somit die Schnittgeraden dieser beiden Ebenen. Die dritte gedachte Ebene ist wiederum senkrecht zu den ersten beiden Ebenen. Die Messrohrachse schneidet die dritte Ebene senkrecht in einem Punkt, wobei die Mittelachse des Ultraschallsenders in der dritten Ebene liegt.The first, second and third levels are imaginary levels. A straight through a likewise imaginary central axis of the ultrasonic transmitter, which cuts the measuring tube axis, and just clamp the measuring tube axis the first imaginary level. The measuring tube axis is also located in the second imaginary plane, which is perpendicular to the first plane. The measuring tube axis is thus the intersection line of these two planes. The third imaginary plane is again perpendicular to the first two Levels. The measuring tube axis intersects the third plane vertically a point, wherein the central axis of the ultrasonic transmitter in the third level lies.
Das Ultraschall-Durchfluss-Messsystem ist nun so ausgestaltet, d. h. die Ultraschallempfänger sind so angeordnet, dass die Projektionen der Ultraschallempfänger in die zweite Ebene nun punktsymmetrisch zu dem Schnittpunkt der Messrohrachse mit der Mittelachse des Ultraschallsenders liegen. Somit ist der Abstand zwischen dem Ultraschallsender und dem ersten und dem zweiten Ultraschallempfänger gleich. Sind mehrere Ultraschallempfänger angeordnet, gilt entsprechendes.The Ultrasonic flow measuring system is now designed so d. H. The ultrasound receivers are arranged so that the projections the ultrasonic receiver in the second plane now point-symmetrical to the intersection of the measuring tube axis with the central axis of the ultrasonic transmitter lie. Thus, the distance between the ultrasonic transmitter and the same first and second ultrasonic receiver. are arranged several ultrasonic receiver, applies accordingly.
Die gedachten Projektionen in die gedachte zweite Ebene der Ultraschallempfänger erfolgen, indem die Ultraschallempfänger senkrecht zur zweiten Ebene in die zweite Ebene projiziert werden.The imaginary projections in the imaginary second level of the ultrasonic receiver done by the ultrasonic receiver perpendicular to second level projected into the second level.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Korrektur herstellungsbedingter, geometrischer Asymmetrien mittels einer Regel-/Auswerteeinheit möglich ist.One Another advantage of the invention is that a correction of production-related, geometric asymmetries by means of a control / evaluation unit possible is.
In einer ersten Ausgestaltung sind die Ultraschallempfänger punktsymmetrisch zu einem Punkt der Mittellängsachse des Ultraschallsenders angeordnet. Die Schnittgerade der ersten und dritten Ebene entspricht der Mittelachse des Ultraschallsenders.In In a first embodiment, the ultrasonic receivers point symmetric to a point of the central longitudinal axis of the Ultrasonic transmitter arranged. The cutting line of the first and third level corresponds to the center axis of the ultrasonic transmitter.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems, weist das Messsystem mindestens eine Regel-/Auswerteeinheit auf, welche Regel-/Auswerteeinheit anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt. Die Messsignale werden dabei vorteilhaft mit dem Laufzeitdifferenz-Verfahren ermittelt. Diese werden aus den elektrischen Signale zur Steuerung des Ultraschallsenders und den gemessenen elektrischen Signalen der Ultraschallempfänger gebildet.According to one advantageous development of the invention Measuring system, the measuring system has at least one control / evaluation unit on which control / evaluation unit based on the measurement signals or based of measurement data derived from the measurement signals, the Volume and / or the mass flow of the flowing in the measuring tube Measuring medium determined. The measurement signals are advantageous determined with the transit time difference method. These are going out the electrical signals to control the ultrasonic transmitter and the measured electrical signals of the ultrasonic receiver educated.
Die elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger weisen dabei jeweils mindestens eine schallempfangende Oberfläche auf. Auf diese schallempfangenden Oberflächen wirken die Ultraschallsignale ein. Umgekehrt werden von schallaussendenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallsender, wie bereits beschrieben, die Ultraschallsignale abgestrahlt. Meist befinden sich zwischen Messmedium und elektromechanischen Wandlerelementen noch so genannte Koppelschichten. Die das Messmedium berührenden Oberflächen der Koppelschichten heißen dementsprechend Schalleinkoppel- bzw. Schallauskoppelflächen. Schalleinkoppelflächen, da die Signale über diese Fläche in das Messmedium einkoppelbar sind. Schallauskoppelflächen, da die Ultraschallsignale vom Messmedium in die Koppelschicht wieder einkoppelbar sind. Dabei können die schallempfangenden Oberflächen der Ultraschallempfänger und deren Schallauskoppelflächen derer Koppelschichten, einen Winkel zueinander aufweisen oder die beiden Flächen sind parallel. Entsprechendes gilt für die schallaussendenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallsender und deren Schalleinkoppelflächen.The electromechanical transducer elements of the ultrasonic receiver each have at least one sound-receiving surface on. The ultrasonic signals act on these sound-receiving surfaces one. Conversely, sound-emitting surfaces the electromechanical transducer elements of the ultrasonic transmitter, as already described, the ultrasound signals radiated. Mostly located between measuring medium and electromechanical transducer elements still so-called coupling layers. The touching the measuring medium Surfaces of the coupling layers are called accordingly Sound coupling or sound output surfaces. Schalleinkoppelflächen, since the signals can be coupled into the measuring medium via this surface are. Schallauskoppelflächen, because the ultrasonic signals from the measuring medium in the coupling layer can be coupled again. there can the sound receiving surfaces of the Ultrasonic receiver and their sound output surfaces whose coupling layers, have an angle to each other or the both surfaces are parallel. The same applies to the sound-emitting surfaces of the electromechanical Transducer elements of the ultrasonic transmitter and their Schallalleinkoppelflächen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger jeweils eine schallempfangende Oberfläche auf, welche schallempfangende Oberfläche jeweils eine Flächennormale senkrecht zur jeweiligen schallempfangenden Oberfläche aufweist, welche jeweilige Flächennormale die Messrohrachse schneidet. Die schallempfangenden Oberflächen der Ultraschallempfänger sind also auf die Rohrmitte ausgerichtet. Die Flächennormalen können dabei einen Neigungswinkel zur Messrohrachse in oder entgegen der Strömung des Messmediums im Messrohr aufweisen.In a further embodiment of the invention, the electromechanical transducer elements of the ultrasonic receiver each have a sound-receiving surface, which is sound-receiving each surface normal to the respective sound-receiving surface has, which respective surface normal intersects the Messrohrachse. The sound-receiving surfaces of the ultrasonic receiver are thus aligned with the tube center. The surface normals may have an inclination angle to the measuring tube axis in or against the flow of the measuring medium in the measuring tube.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist darin zu sehen, dass die elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger jeweils eine schallempfangende Oberfläche aufweisen, welche schallempfangende Oberfläche eine Flächennormale senkrecht zur schallempfangenden Oberfläche aufweist, welche Flächennormale die Messrohrachse senkrecht schneidet. Die Flächennormale ist wiederum eine gedachte Flächennormale.A very advantageous development of the invention Measuring system can be seen in that the electromechanical transducer elements the ultrasonic receiver each a sound-receiving Have surface, which sound receiving surface a surface normal to the sound-receiving surface which surface normal intersects the measuring tube axis perpendicularly. The surface normal is again an imaginary surface normal.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems schlägt vor, dass das elektromechanische Wandlerelement des Ultraschallsenders eine schallaussendende Oberfläche aufweist, welche schallaussendende Oberfläche eine Flächennormale senkrecht zur schallaussendenden Oberfläche aufweist, welche Flächennormale die Messrohrachse senkrecht schneidet. Auch hier handelt es sich bei der Flächennormale um eine gedachte Flächennormale. Die schallaussendende Oberfläche des Wandlerelements des Ultraschallsenders ist somit parallel zur Messrohrachse. In einer Ausgestaltung ist die schallaussendende Oberfläche des Wandlerelements des Ultraschallsenders parallel zur zweiten gedachten Ebene und zur Rohrmitte hin ausgerichtet.A advantageous development of the invention Measuring system suggests that the electromechanical transducer element the ultrasonic transmitter has a sound-emitting surface, which sound-emitting surface is a surface normal has perpendicular to the sound-emitting surface, which Surface normal intersects the measuring axis perpendicularly. Also Here, the surface normal is an imaginary one Surface normal. The sound-emitting surface the transducer element of the ultrasonic transmitter is thus parallel to Measuring tube axis. In one embodiment, the sound-emitting Surface of the transducer element of the ultrasonic transmitter in parallel aligned to the second imaginary level and the pipe center.
In einer weiteren Variante stehen die Flächennormalen der schallempfangenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger senkrecht auf mindestens einer schallabstrahienden Oberfläche mindestens eines elektromechanischen Wandlerelements des mindestens einen Ultraschallsenders. Nimmt das elektromechanische Wandlerelement eine gekrümmte Form, wie z. B. die Form einer Halbkugel, an, können mehrere empfangende Oberflächen gleichzeitig parallel zu einer abstrahlenden Oberfläche stehen bzw. deren Flächennormalen fallen zusammen.In Another variant is the surface normals of sound-receiving surfaces of the electromechanical Transducer elements of the ultrasonic receiver perpendicular to at least one sound-emitting surface at least an electromechanical transducer element of the at least one ultrasonic transmitter. Does the electromechanical transducer element a curved Shape, such. B. the shape of a hemisphere, to, several Receiving surfaces simultaneously parallel to a radiant surface or their surface normal fall together.
Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, dass ein Ultraschallsender ein erstes elektromechanisches Wandlerelement und mindestens ein zweites elektromechanisches Wandlerelement aufweist, welches erste Wandlerelement eine erste schallaussendende Oberfläche und eine erste Flächennormale senkrecht zur ersten schallaussendenden Oberfläche aufweist, welches zweite Wandlerelement eine zweite schallaussendende Oberfläche und eine zweite Flächennormale senkrecht zur zweiten schallaussendenden Oberfläche aufweist, wobei ein erster Ultraschallempfänger ein erstes elektromechansiches Wandlerelement mit einer ersten schallempfangenden Oberfläche aufweist und wobei ein zweiter Ultraschallempfänger ein zweites elektromechansiches Wandlerelement mit einer zweiten schallempfangenden Oberfläche aufweist, wobei die erste Flächennormale senkrecht zur ersten schallempfangenden Oberfläche steht und wobei die zweite Flächennormale senkrecht zur zweiten schallempfangenden Oberfläche steht.A Further development of the invention proposes that an ultrasonic transmitter a first electromechanical transducer element and at least one second electromechanical transducer element, which first Transducer element, a first sound-emitting surface and a first surface normal perpendicular to the first sound-emitting one Surface, which second transducer element has a second sound-emitting surface and a second surface normal perpendicular to the second sound-emitting surface, wherein a first ultrasonic receiver is a first electromechanical transducer element having a first sound receiving surface and wherein a second ultrasonic receiver is a second Electromechanical transducer element with a second sound-receiving Surface, wherein the first surface normal is perpendicular to the first sound-receiving surface and wherein the second surface normal is perpendicular to the second sound-receiving surface stands.
Eine weitere Möglichkeit der Stellung der schallempfangenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger ist also, dass die schallempfangenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallempfänger im Wesentlichen parallel zu den ihnen jeweils gegenüberliegenden schallaussendenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallsender angeordnet sind.A further possibility of the position of the sound-receiving Surfaces of the electromechanical transducer elements of Ultrasound receiver is so that the sound-receiving Surfaces of the electromechanical transducer elements of Ultrasonic receiver substantially parallel to them each opposite sound-emitting surfaces arranged the electromechanical transducer elements of the ultrasonic transmitter are.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsender mindestens eine Schalleinkoppelfläche aufweist, über welche Schalleinkoppelfläche die akustischen Signale aus dem Ultraschallsender in das Messmedium einkoppelbar sind und dass die Ultraschallempfänger jeweils mindestens eine Schallauskoppelfläche aufweisen, über welche Schallauskoppelflächen die akustischen Signale aus dem Messmedium in den jeweiligen Ultraschallempfänger auskoppelbar sind, wobei die Schallauskoppelflächen der Ultraschallempfänger jeweils eine Flächennormale senkrecht zur jeweiligen Schallauskoppelfläche der Ultraschallempfänger aufweisen, welche Flächennormale senkrecht auf der Schalleinkoppelfläche steht. Unter Auskopplung wird die Auskopplung der Messsignale aus dem Messmedium in ein Koppelelement verstanden, daher könnte die Auskopplung auch als Einkopplung der Messsignale in das Koppelelement aufgefasst werden. Die Flächennormalen senkrecht auf den Schallauskoppelflächen stehen senkrecht auf mindestens einer Schalleinkoppelfläche, z. B. einer kugelförmig gekrümmten Schalleinkoppelfläche.According to one advantageous development of the invention it is proposed that the ultrasonic transmitter at least one Schallalleinkoppelfläche has over which Schalleinkoppelfläche the acoustic signals from the ultrasonic transmitter into the measuring medium are einkoppelbar and that the ultrasound receiver respectively have at least one sound output surface over which sound output surfaces the acoustic signals the measuring medium in the respective ultrasonic receiver auskoppelbar are, wherein the sound output surfaces of the ultrasonic receiver in each case a surface normal to the respective sound output surface of the Have ultrasound receiver, which surface normal is perpendicular to the Schallalleinkoppelfläche. Under decoupling is the decoupling of the measuring signals from the measuring medium in a coupling element understood, therefore, the coupling could also be used as a coupling the measurement signals are understood in the coupling element. The surface normals perpendicular to the sound output surfaces are vertical on at least one Schallalleinkoppelfläche, z. B. one Spherical curved Schallalleinkoppelfläche.
Sind mehrere Schalleinkoppelflächen kann z. B. jede Flächennormale senkrecht auf nur eine Schalleinkoppelfläche stehen, womit jede Schallauskoppelfläche auf eine parallel gegenüberliegende Schalleinkoppelfläche ausgerichtet wäre. Eine drei- oder vierseitige Pyramide als Koppelelement, oder als erster Teil eines zweiteiligen Koppelelements zur Strahlaufteilung auf die empfangenden Sensoren, mit einem elektromechanischen Wandlerelement auf der Grundfläche der Pyramide würde eine Ausgestaltung darstellen.are several Schallalleinkoppelflächen can z. B. every surface normal perpendicular to only one Schallalleinkoppelfläche stand, with each sound output surface on a parallel opposite Schalleinkoppelfläche would be aligned. A three- or four-sided pyramid as a coupling element, or as a first part of a two-part coupling element for beam splitting on the receiving sensors, with an electromechanical Transducer element on the base of the pyramid would represent an embodiment.
Nun sind viele Kombinationen aus Stellungen von abstrahlenden und empfangenden Oberflächen der Wandlerelemente und der ein- und auskoppelnden Flächen der Koppelelemente denkbar. Eine beispielhafte Ausführungsform soll hier noch kurz erwähnt sein. So Ist ein Koppelelement so auszugestalteten, dass es eine Pyramidenartige Aussparung aufweist, auf welche einzelne Wandlerelemente akustisch koppelbar sind, welche ihrerseits zusammen zu einer Sendeeinheit schaltbar sind.Now are many combinations of positions of radiating and receiving Surfaces of the transducer elements and the coupling and uncoupling Surfaces of the coupling elements conceivable. An exemplary Embodiment will be briefly mentioned here. Thus, a coupling element is designed so that it is a pyramid-like Recess has, on which individual transducer elements acoustically can be coupled, which in turn together to form a transmitting unit are switchable.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems sieht vor, dass das elektromechanische Wandlerelement zumindest des ersten Ultraschallsenders und die elektromechanischen Wandlerelemente des ersten Ultraschallempfängers und zumindest des zweiten Ultraschallempfängers aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Die Werkstoffe der Ultraschallempfänger sind dabei bevorzugt im Wesentlichen gleich ausgebildet. in einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das elektromechanische Wandlerelement zumindest des ersten Ultraschallsenders aus einer ersten Piezokeramik und die elektromechanischen Wandlerelemente des ersten Ultraschallempfängers und zumindest des zweiten Ultraschallempfängers bestehen aus einer zweiten Piezokeramik, wobei der Werkstoff der ersten Piezokeramik nicht dem Werkstoff der zweiten Piezokeramik entspricht. Hier können auch zwei unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen. So sind z. B. die aktiven Ultraschallsender aus Piezokeramiken oder Lautsprechermaterialen gefertigt und die passiven Ultraschallempfänger reagieren z. B. mit Widerstandsänderungen und/oder Kapazitätsänderungen auf Druckwellen bzw. Druckschwankungen.A further advantageous embodiment of the invention Measuring system provides that the electromechanical transducer element at least the first ultrasonic transmitter and the electromechanical Transducer elements of the first ultrasonic receiver and at least of the second ultrasonic receiver from different Consist of materials. The materials of the ultrasonic receiver are preferably preformed substantially the same. in one embodiment the invention consists of the electromechanical transducer element at least the first ultrasonic transmitter of a first piezoceramic and the electromechanical transducer elements of the first ultrasound receiver and at least the second ultrasonic receiver consist of a second piezoceramic, wherein the material of the first piezoceramic does not correspond to the material of the second piezoceramic. here we can also two different technologies are used. So are z. B. the active ultrasonic transmitter made of piezoceramics or speaker materials and the passive ultrasonic receivers respond z. B. with Resistance changes and / or capacity changes on pressure waves or pressure fluctuations.
Bei einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die jeweilige Schalleinkoppelfläche der Ultraschallempfänger klein im Vergleich zur Schallauskoppelfläche des Ultraschallsenders.at a very advantageous development of the invention is the respective Noise coupling surface of the ultrasonic receiver small in comparison to the sound output surface of the ultrasonic transmitter.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass zumindest die erste schallaussendende Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements des Ultraschallempfängers groß ist im Vergleich zu den schallempfangenden Oberflächen der elektromechanischen Wandlerelements der Ultraschallempfänger.A advantageous development of the invention Solution is that at least the first sound-emitting Surface of the electromechanical transducer element of Ultrasound receiver is great compared to the sound-receiving surfaces of the electromechanical Transducer element of the ultrasonic receiver.
Die schallaussendende Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements des Ultraschallsenders steht in einer Ausgestaltung in einem Größenverhältnis von ungefähr 100:1 zur schallempfangenden Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelement eines Ultraschallempfängers. In einer anderen Ausgestaltung ist die schallaussendende Oberfläche näherungsweise 50 mal so groß, wie die schallempfangende Oberfläche, insbesondere ist sie ungefähr 20 mal so groß, oder gar 10 mal so groß, gemäß einer Ausgestaltung gar nur 5mal so groß. Die Größenverhältnisse des Senders zu den Empfängern hängen unter anderem auch von der verwendeten Wellenlänge der Ultraschallsignale ab. Zusätzlich spielt die verwendete Technologie der Umwandlung der Ultraschallsignale in elektrische Signale eine Rolle. Für passive Ultraschallempfänger empfehlen sich z. B. resistive Sensoren und für die aktiven Ultraschallsender werden z. B. kapazitive Sensoren anstelle von Piezokeramiken eingesetzt. So können die Empfänger sehr klein werden wie z. B. ein Nadel-Hydrophon mit einem Durchmesser von einem mm oder darunter. Je nach Frequenz bewegen sich Ultraschallsender, welche aus Piezokeramik hergestellt sind, in Größenordnungen von z. B. 5 mm bis 20 mm Durchmesser. Es sind aber auch z. B. 50 mm bei tieferen Frequenzen und grösseren Rohren vorstellbar.The sound-emitting surface of the electromechanical transducer element The ultrasound transmitter is in one embodiment in a size ratio from about 100: 1 to the sound-receiving surface the electromechanical transducer element of an ultrasonic receiver. In another embodiment, the sound-emitting surface Approximately 50 times as large as the sound-receiving Surface, in particular, it is about 20 times so big, or even 10 times as big, according to one Design only 5 times as large. The proportions of the sender to the receivers depend among other things also on the used wavelength of the ultrasonic signals from. In addition, the technology used is transforming the ultrasonic signals in electrical signals a role. For Passive ultrasonic receivers are recommended for. B. resistive Sensors and for the active ultrasonic transmitter are z. B. capacitive sensors used instead of piezoceramics. So the receivers can become very small, such as B. a needle hydrophone with a diameter of one mm or less. Depending on the frequency, ultrasonic transmitters, which are made of piezoceramic, move are manufactured in orders of z. B. 5 mm to 20 mm diameter. But there are also z. B. 50 mm at lower Frequencies and larger pipes conceivable.
Die elektromechanischen Wandlerelemente der Ultraschallsender in einem erfindungsgemäßen Messsystem können sehr leistungsstark sein. Die Wandlerelemente dagegen sind bevorzugt sehr empfindlich, im Vergleich zu den Wandlerelementen der Ultraschallsender. Dies hat den Vorteil, dass die Ultraschallsensoren, insbesondere die Ultraschallempfänger sehr klein im Vergleich zum Stand der Technik gebaut werden können. Dadurch werden sehr kleine Bohrungen in der Rohrwand des Messrohrs zur Platzierung der Sensoren, insbesondere der Empfänger benötigt. Diese wiederum beeinflussen die Strömung des Messmediums weniger. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch Schaffung einer im Verhältnis zur Sensorgröße großen Einbaubohrung, sowohl beim Ultraschallsender als auch bei den Ultraschallempfängern. Damit ist das Messsystem sterilisierbar.The electromechanical transducer elements of the ultrasonic transmitter in one Measuring system according to the invention can be very be powerful. By contrast, the transducer elements are preferred very sensitive, compared to the transducer elements of the ultrasonic transmitter. This has the advantage that the ultrasonic sensors, in particular The ultrasound receiver is very small compared to the stand the technology can be built. This will make very small holes in the tube wall of the measuring tube for the placement of the sensors, in particular the receiver is needed. These in turn influence the flow of the measuring medium less. Another advantage results from creating a relative to the sensor size large mounting hole, both the ultrasonic transmitter as also with the ultrasonic receivers. This is the measuring system sterilizable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsender im Wesentlichen Ultraschall-Kugelwellen erzeugt. Dies ist besonders vorteilhaft in einem, einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweisenden, Messrohr, da dann die Ausrichtung der Ultraschallempfänger an der Rohrinnenwand sehr strömungsgünstig vornehmbar ist. Die Ultraschallempfänger sind quasi bündig mit der Messrohrinnenwand in der Messrohrwand zu versenken. Aber auch ein kleiner Versatz ist nur wenig strömungsbeeinflussend. Diese Ausgestaltung kann aber auch Vorteilhaft in allen anderen denkbaren Messrohren sein. Unter Kugelwellen werden Ultraschallsignale verstanden, welche sie sich im Wesentlichen gleichmäßig von einer Quelle in alle Raumrichtungen in streng konzentrischen Wellenfronten ausbreiten. Wird z. B. ein halbschalen oder halbkugelförmiges elektromechanisches Wandlerelement benutzt, werden die Ultraschallwellen senkrecht zur, dann schallaussendenden, Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements abgestrahlt. Der Punkt, von denen sich die Wellenfronten aus ausbreiten würden, wäre der Mittelpunkt des gekrümmten elektromechanischen Wandlerelements. Gleichermaßen ist eine Kugelwelle zu erzeugen durch ein flaches elektromechanisches Wandlerelement und eine entsprechend ausgeformte Koppelschicht, wie z. B. eine Koppellinse.According to a further advantageous development of the measuring system according to the invention, it is proposed that the ultrasonic transmitter essentially generates ultrasonic spherical waves. This is particularly advantageous in one, having a substantially circular cross-section, measuring tube, since then the orientation of the ultrasonic receiver on the tube inner wall is vornehmbar very streamlined. The ultrasonic receivers are almost flush with the measuring tube inner wall in the measuring tube wall to sink. But even a small offset is only slightly flow-influencing. This embodiment can also be advantageous in all other conceivable measuring tubes. By spherical waves ultrasonic signals are understood, which they propagate substantially uniformly from a source in all spatial directions in strictly concentric wavefronts. If z. B. a half-shell or hemispherical electromechanical transducer element used, the ultrasonic waves are emitted perpendicular to the, then sound-emitting surface of the electromechanical transducer element. The point from which the wavefronts would propagate out would be the center of the ge curved electromechanical transducer element. Similarly, a spherical wave is to be generated by a flat electromechanical transducer element and a correspondingly shaped coupling layer, such. B. a coupling lens.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jedem Ultraschallempfänger genau eine Regel-/Auswerteinheit zugeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise gleichzeitig ein Laufzeitdifferenz und/oder eine Phasendifferenz zwischen den einzelnen Signalpfaden vom Sender zu den unterschiedlichen Empfängern gemessen werden.A Further development of the invention provides that each ultrasonic receiver exactly one control / evaluation unit is assigned. This can, for example simultaneously a transit time difference and / or a phase difference between the individual signal paths from the transmitter to the different ones Receivers are measured.
In einer Variante eines erfindungsgemäßen Messsystems sind die Funktionen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger vertauscht, d. h. die vormals als Empfänger fungierenden Ultraschallempfänger senden nun ein Ultraschallsignal und der vormalige Ultraschallsender empfängt diese Ultraschallsignale. Die Auswertung der Messsignale und/oder der daraus abgeleiteten Messdaten erfolgt sequentiell oder parallel auf unterschiedlichen Frequenzen.In a variant of a measuring system according to the invention are the functions of the ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver reversed, d. H. formerly acting as recipients Ultrasonic receivers now send an ultrasonic signal and the former ultrasonic transmitter receives these ultrasonic signals. The evaluation of the measuring signals and / or the derived therefrom Measurement data is sequential or parallel on different Frequencies.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es existieren viele Kombinationen an möglichen Ausprägungen der Erfindung, so dass nur eine kleine Auswahl in den Figuren gezeigt werden kann.The The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. There are many combinations of possible characteristics of the invention, so that only a small selection is shown in the figures can be.
In
Sowohl
der Ultraschallwandler
Alle
dargestellten Ultraschallsensoren
Mittels
dieser Sensoranordnung ist es möglich, eine Laufzeitdifferenz
zwischen einem ersten Ultraschallsignal zwischen Sender
Wie
die
Durch
die Spezialisierung der Sensoren auf Senden und Empfangen sind diese
spezifisch auszubilden. Die Empfänger
In
In
- 11
- Ultraschall-Durchfluss-MesssystemUltrasonic flow measuring system
- 22
- Ultraschallsenderultrasonic transmitter
- 33
- Erster Ultraschallempfängerfirst ultrasonic receiver
- 44
- Zweiter Ultraschallempfängersecond ultrasonic receiver
- 55
- Messrohrmeasuring tube
- 66
- Messmediummeasuring medium
- 77
- Elektromechanisches Wandlerelement des Ultraschallsenderselectromechanical Transducer element of the ultrasonic transmitter
- 88th
- Elektromechanisches Wandlerelement eines Ultraschallempfängerselectromechanical Transducer element of an ultrasonic receiver
- 99
- Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
- 1010
- MessrohrachseMeasuring tube axis
- 1111
- Schallaussendende Oberfläche eines elektromechanischen Wandlerelements eines UltraschallsendersSound emission Dende Surface of an electromechanical transducer element of a ultrasonic transmitter
- 1212
- Schallempfangende Oberfläche eines elektromechanischen Wandlerelements eines UltraschallempfängersSound receiving end Surface of an electromechanical transducer element of a ultrasonic receiver
- 1313
- Mittelachse des Ultraschallsendercentral axis of the ultrasonic transmitter
- 1414
- Erste RaumebeneFirst room level
- 1515
- Zweite RaumebeneSecond room level
- 1616
- Dritte Raumebenethird room level
- 1717
- Schnittpunkt der drei Raumebenenintersection the three spatial levels
- 1818
- Flächennormale zur schallaussendenden Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements des Ultraschallsenderssurface normal to the sound-emitting surface of the electromechanical Transducer element of the ultrasonic transmitter
- 1919
- Flächennormale zur schallempfangenden Oberfläche eines elektromechanischen Wandlerelements eines Ultraschallempfängerssurface normal to the sound receiving surface of an electromechanical Transducer element of an ultrasonic receiver
- 2020
- SchalleinkoppelflächeSchalleinkoppelfläche
- 2121
- Schallauskoppelflächesound out
- 2222
- UltraschallsignalpfadUltrasonic signal path
- 2323
- Flächennormale zur Schalleinkoppelflächesurface normal to the Schallalleinkoppelfläche
- 2424
- Flächennormale zur Schallauskoppelflächesurface normal to the sound output surface
- 2525
- Aussparungrecess
- 2626
- Dritter Ultraschallempfängerthird ultrasonic receiver
- 2727
- Vierter Ultraschallempfängerfourth ultrasonic receiver
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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