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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

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 Download PDF

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DE102008055031A1
DE102008055031A1 DE200810055031 DE102008055031A DE102008055031A1 DE 102008055031 A1 DE102008055031 A1 DE 102008055031A1 DE 200810055031 DE200810055031 DE 200810055031 DE 102008055031 A DE102008055031 A DE 102008055031A DE 102008055031 A1 DE102008055031 A1 DE 102008055031A1
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ultrasonic
measuring
sound
measuring system
receiver
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Withdrawn
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DE200810055031
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German (de)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
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Endress and Hauser Flowtec AG
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Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Abstract

The system (1) has an ultrasonic transmitter (2) comprising an electromechanical transducer element (7) that converts electrical signals into acoustic signals. The ultrasonic transmitter comprises a center axis (13), where a measuring tube axis of a measuring tube (5) and the center axis lie in a first plane that is perpendicular to a second plane. A third plane is formed perpendicular to the first and second planes. Projections perpendicular to the second plane of ultrasonic receivers (3, 4) are formed symmetrically to an intersection point (17) of the three planes.

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 EP 686 255 B1 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.The ultrasonic waves are generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers. For this purpose, ultrasonic transducers are firmly attached to the pipe wall of the relevant pipe section. More recently, clamp-on ultrasonic flow measurement systems have become available. In these systems, the ultrasonic transducers are pressed against the pipe wall only with a tension lock. Such systems are for. B. from the EP 686 255 B1 . US-A 44 84 478 or US-A 45 98 593 known.

Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen ermittelt.Another ultrasonic flowmeter, which operates on the transit time difference principle, is from the US-A 50 52 230 known. The transit time is determined here by means of short ultrasound pulses.

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 DE10200704936A1 zeigt ein Ultraschall-Durchfluss-Messsystem mit mehreren Messpfaden. Das Messmedium wird an verschiedenen Stellen des Messrohrs durchschallt, wodurch sich ein Durchfluss-Messsignal bestimmen lässt, was im Vergleich zu einem einpfadigen Messgerät weniger abhängig vom Strömungsprofil ist. Dafür werden bei dem Messsystem der DE10200704936A1 mehrere Sende- und Empfangssensoren und Reflektoren verwendet. Diese Lösung ist nicht nur sehr aufwendig in der Herstellung und damit recht teuer, sondern durch die vielen Messrohreinbauten wird die Strömung des Messmediums negativ beeinflusst.The DE10200704936A1 shows an ultrasonic flow measuring system with several measuring paths. The measuring medium is sounded through at various points of the measuring tube, whereby a flow measuring signal can be determined, which is less dependent on the flow profile compared to a single-path measuring device. For the measuring system of the DE10200704936A1 several transmit and receive sensors and reflectors used. This solution is not only very expensive to manufacture and therefore quite expensive, but the flow of the measuring medium is adversely affected by the many measuring tube internals.

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.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem im Querschnitt durch das Messrohr, 1 shows a measuring system according to the invention in cross-section through the measuring tube,

2 zeigt das gleiche Messsystem in einem ersten Längsschnitt, 2 shows the same measuring system in a first longitudinal section,

3 zeigt das gleiche Messsystem in einem zweiten Längsschnitt, 3 shows the same measuring system in a second longitudinal section,

4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Messsystem im Längsschnitt mit einem Ultraschallsender und vier Ultraschallempfängern, 4 shows a further inventive measuring system in longitudinal section with an ultrasonic transmitter and four ultrasonic receivers,

5 zeigt perspektivisch ein Messrohr mit drei gedachten Raumebenen, 5 shows in perspective a measuring tube with three imaginary spatial planes,

6 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Messsystems, 6 shows a longitudinal section of a further measuring system according to the invention,

7 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Messsystems. 7 shows a longitudinal section of another measuring system according to the invention.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 mit einem Ultraschallsender 2 und zwei Ultraschallempfängern 3, 4 dargestellt, welche in einem, ein Messmedium 6 führenden Messrohr 5 erfindungsgemäß angeordnet sind. Der Schnitt quer durch das Messrohr entspricht einem Schnitt parallel zur gedachten dritten Raumebene. Die gedachte Messrohrachse 10 steht somit senkrecht zur Zeichenebene. Eine gedachte Mittelachse 13 des Ultraschallsenders 2 verläuft mittig durch den hier rotationssymmetrischen Ultraschallsender 2. Sie steht senkrecht auf der Messrohrachse 10. Die Detaildarstellungen offenbaren den konstruktiven Aufbau des Ultraschallsenders 2 und eines der beiden baugleichen Ultraschallempfängers 3, 4.In 1 is an inventive measuring system 1 with an ultrasonic transmitter 2 and two ultrasound receivers 3 . 4 represented, which in one, a measuring medium 6 leading measuring tube 5 are arranged according to the invention. The section across the measuring tube corresponds to a section parallel to the imaginary third spatial plane. The imaginary measuring tube axis 10 is thus perpendicular to the plane of the drawing. An imaginary central axis 13 of the ultrasonic transmitter 2 runs centrally through the here rotationally symmetrical ultrasonic transmitter 2 , It is perpendicular to the measuring tube axis 10 , The detailed illustrations reveal the structural design of the ultrasonic transmitter 2 and one of the two identical ultrasonic receiver 3 . 4 ,

Sowohl der Ultraschallwandler 2 als auch die Ultraschallempfänger 3, 4 weisen jeweils ein elektromechanisches Wandlerelement 7, 8, bevorzugt aus einer Piezokeramik, und jeweils eine das Messmedium 6 berührende und akustisch koppelnde Oberfläche 20, 21 auf. Da die schallaussendende Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2 parallel ist zur Schalleinkoppelfläche 21 des Ultraschallsenders 2 und da die schallempfangenden Oberflächen 12 der elektromechanischen Wandlerelemente 8 der Ultraschallempfänger 3, 4 ebenfalls parallel sind zu ihren jeweiligen Schallauskoppelflächen 21, sind die Flächennormale 18 zur schallaussendenden Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2 und die Flächennormale 23 zur Schalleinkoppelfläche 20 gleich, und die Flächennormalen 19 zu den schallempfangenden Oberflächen 12 der elektromechanischen Wandlerelemente 8 der Ultraschallempfänger 3, 4 fallen zusammen mit den Flächennormalen 24 zu den Schallauskoppelflächen 21. Gleichzeitig entsprechen sowohl die Flächennormale 18 zur schallaussendenden Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2, als auch die Flächennormale 23 zur Schalleinkoppelfläche 20 des Ultraschallsenders 2 hier der Mittelachse 13 des Ultraschallsenders 2. Daher wird im Folgenden nur noch von der Flächennormale 18 zur schallaussendenden Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2 und von den Flächennormalen 19 zu den schallempfangenden Oberflächen 12 der elektromechanischen Wandlerelemente 8 der Ultraschallempfänger 3, 4 gesprochen.Both the ultrasonic transducer 2 as well as the ultrasound receivers 3 . 4 each have an electromechanical transducer element 7 . 8th , preferably from a piezoceramic, and one each the measuring medium 6 Touching and acoustically coupling surface 20 . 21 on. Because the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 parallel to the Schallalleinkoppelfläche 21 of the ultrasonic transmitter 2 and because the sound-receiving surfaces 12 the electromechanical transducer elements 8th the ultrasound receiver 3 . 4 are also parallel to their respective Schallauskoppelflächen 21 , are the surface normals 18 to the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 and the surface normals 23 to the Schallalleinkoppelfläche 20 same, and the surface normals 19 to the sound-receiving surfaces 12 the electromechanical transducer elements 8th the ultrasound receiver 3 . 4 fall along with the surface normals 24 to the sound decoupling surfaces 21 , At the same time, both the surface normals correspond 18 to the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 , as well as the surface normals 23 to the Schallalleinkoppelfläche 20 of the ultrasonic transmitter 2 here the central axis 13 of the ultrasonic transmitter 2 , Therefore, in the following only from the surface normal 18 to the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 and from the surface normals 19 to the sound-receiving surfaces 12 the electromechanical transducer elements 8th the ultrasound receiver 3 . 4 spoken.

Alle dargestellten Ultraschallsensoren 2, 3, 4 sind zur Rohrmitte hin ausgerichtet, d. h. die Flächennormale 18 zur schallaussendenden Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2 und die Flächennormalen 19 zu den schallempfangenden Oberflächen 12 der elektromechanischen Wandlerelemente 8 der Ultraschallempfänger 3, 4 stehen senkrecht auf die Messrohrachse 10, wie auch 2 und 3 verdeutlichen. Wie in 2 und 3 jedoch deutlich zu sehen, schneidet nur die die Flächennormale 18 zur schallaussendenden Oberfläche 11 des elektromechanischen Wandlerelements 7 des Ultraschallsenders 2 den Schnittpunkt 17 der drei Raumebenen 14, 15, 16.All illustrated ultrasonic sensors 2 . 3 . 4 are aligned towards the center of the pipe, ie the surface normal 18 to the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 and the surface normals 19 to the sound-receiving surfaces 12 the electromechanical transducer elements 8th the ultrasound receiver 3 . 4 stand perpendicular to the measuring tube axis 10 , as well as 2 and 3 clarify. As in 2 and 3 but to see clearly, only the surface normal cuts 18 to the sound-emitting surface 11 the electromechanical transducer element 7 of the ultrasonic transmitter 2 the point of intersection 17 the three spatial levels 14 . 15 . 16 ,

Mittels dieser Sensoranordnung ist es möglich, eine Laufzeitdifferenz zwischen einem ersten Ultraschallsignal zwischen Sender 2 und erstem Empfänger einerseits und einem zweiten Ultraschallsignal zwischen Sender und zweitem Empfänger andererseits zu bestimmen und daraus mittels der hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten Regel-/Auswerteeinheit daraus den Durchfluss zu ermitteln, da einer der beiden Ultraschallsignalpfade 22 in Strömungsrichtung des Messmediums 6 im Messrohr 5 zeigt, der andere entgegen, bzw. der eine, eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung aufweist und der andere, eine Richtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung aufweist.By means of this sensor arrangement, it is possible Lich, a transit time difference between a first ultrasonic signal between transmitter 2 and the first receiver on the one hand and a second ultrasonic signal between the transmitter and the second receiver on the other hand to determine and therefrom by means of the control / evaluation unit, not shown here for clarity, to determine the flow, since one of the two ultrasonic signal paths 22 in the flow direction of the measuring medium 6 in the measuring tube 5 shows, the other opposite, or one, having a direction component in the flow direction and the other, a direction component opposite to the flow direction.

Wie die 2 und 3 zeigen, weisen die Ultraschallempfänger 3, 4 einen Abstand in Längsrichtung des Messrohrs 5 als auch einen Abstand quer dazu zueinander auf. Dadurch entstehen die eingezeichneten Winkel α, β, γ und eine bessere Abdeckung des Rohrquerschnitts, im Vergleich zu einem Ultraschallsignal parallel zur ersten Raumebene. Dabei weisen die Ultraschallempfänger 3, 4 die jeweils gleichen Winkel α, β, γ zur Mittelachse 13 des Ultraschallsenders 2 und zur Messrohrachse 10 auf. Ihre senkrechten Projektionen in die zweite Raumebene 15 sind somit punktsymmetrisch zum Schnittpunkt 17 der drei Raumebenen 14, 15, 16.As the 2 and 3 show, the ultrasonic receiver 3 . 4 a distance in the longitudinal direction of the measuring tube 5 as well as a distance across to each other. This results in the plotted angles α, β, γ and better coverage of the tube cross-section, compared to an ultrasonic signal parallel to the first spatial plane. In this case, the ultrasonic receiver 3 . 4 the respective same angle α, β, γ to the central axis 13 of the ultrasonic transmitter 2 and to the measuring tube axis 10 on. Your vertical projections into the second room level 15 are thus point-symmetrical to the point of intersection 17 the three spatial levels 14 . 15 . 16 ,

Durch die Spezialisierung der Sensoren auf Senden und Empfangen sind diese spezifisch auszubilden. Die Empfänger 3, 4 können wesentliche kleiner ausgeprägt sein, als der Sender 2. Das Messrohr 5 kann z. B. zu Sterilisationszwecken einen Freiraum 25 um die Ultraschallsensoren 2, 3, 4 aufweisen.Due to the specialization of the sensors for transmission and reception, these have to be designed specifically. The recipients 3 . 4 may be much smaller than the transmitter 2 , The measuring tube 5 can z. B. for sterilization purposes a free space 25 around the ultrasonic sensors 2 . 3 . 4 exhibit.

4 offenbart ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 mit vier Ultraschallempfängern 3, 4, 26, 27. Auch diese vier Ultraschallempfänger 3, 4, 26, 27 sind punktsymmetrisch zu einem Punkt der Mittelachse 13 des Ultraschallsenders 2 angeordnet. Es sind insgesamt vier unterschiedliche, quasi verlustfreie, da direkte, d. h. ohne Reflexion, Messpfade möglich, mit nur einem Sender. 4 discloses a measuring system according to the invention 1 with four ultrasonic receivers 3 . 4 . 26 . 27 , Also these four ultrasonic receivers 3 . 4 . 26 . 27 are point symmetrical to a point of the central axis 13 of the ultrasonic transmitter 2 arranged. There are a total of four different, virtually lossless, because direct, ie without reflection, measuring paths possible, with only one transmitter.

In 5 ist ein Messrohr 5 eines erfindungsgemäßen Messsystems illustriert. Zusätzlich sind die drei gedachten Raumebenen 14, 15, 16 skizziert. Der Ultraschallsender 2 liegt in der dritten Raumebene.In 5 is a measuring tube 5 of a measuring system according to the invention illustrated. In addition, the three imaginary spatial levels 14 . 15 . 16 outlined. The ultrasound transmitter 2 lies in the third room level.

6 beschreibt einen Längsschnitt durch ein Messrohr 5 eines erfindungsgemäßen Messsystems. Der Ultraschallsender 2 weist dabei ein Koppelelement mit einer Schalleinkoppelfläche, über welche Schalleinkoppelfläche die akustischen Signale aus dem Ultraschallsender in das Messmedium eingekoppelt werden, auf, welche Schalleinkoppelfläche schalenförmig ausgestaltet ist. Die jeweiligen Flächennormalen der Schallauskoppelflächen der Ultraschallempfänger 3 und 4 stehen jeweils senkrecht auf die Schalleinkoppelfläche. Der Ultraschallempfänger ist in dieser Ausgestaltung in der Lage, Ultraschallsignale in Form von Kugelwellen im Bereich des Messrohrs in das Messmediums zu senden, was die Signalpfade 22 andeuten. 6 describes a longitudinal section through a measuring tube 5 a measuring system according to the invention. The ultrasound transmitter 2 In this case, a coupling element with a sound coupling surface, via which sound coupling surface the acoustic signals from the ultrasonic transmitter are coupled into the measuring medium, on which sound coupling surface is configured shell-shaped. The respective surface normals of the sound output surfaces of the ultrasonic receivers 3 and 4 each stand perpendicular to the Schallalleinkoppelfläche. In this embodiment, the ultrasonic receiver is capable of transmitting ultrasonic signals in the form of spherical waves in the region of the measuring tube into the measuring medium, which is the signal paths 22 suggest.

In 7 ist das Messsystem mit einem Ultraschallsender mit zwei piezoelektrischen Elementen, also zwei elektromechanischen Wandlerelementen 7a und 7b gezeichnet. Sie sind mit ihren jeweiligen schallaussendenden Oberflächen bzw. den jeweiligen Flächennormalen zu den schallaussendenden Oberflächen, welche hier den Signalpfaden 22 entsprechen, auf die Ultraschallempfänger 3, 4 ausgerichtet.In 7 is the measuring system with an ultrasonic transmitter with two piezoelectric elements, ie two electromechanical transducer elements 7a and 7b drawn. They are with their respective sound-emitting surfaces or the respective surface normal to the sound-emitting surfaces, which here the signal paths 22 correspond to the ultrasound receiver 3 . 4 aligned.

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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 686255 B1 [0008] - EP 686255 B1 [0008]
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Claims (9)

Ultraschall-Durchfluss-Messsystem (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (6) durch ein Messrohr (5), welches Ultraschall-Durchfluss-Messsystem (1) mindestens einen ersten Ultraschallsender (2), einen ersten Ultraschallempfänger (3) und mindestens einen zweiten Ultraschallempfänger (4) aufweist, wobei der erste Ultraschallsender (2) mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement (7) aufweist, welches elektrische Signale in akustische Signale wandelt, und wobei die Ultraschallempfänger (3, 4) jeweils mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement (8) aufweisen, welche akustische Signale in elektrische Signale wandeln, wobei das Messrohr (5) eine Messrohrachse (10) aufweist, und wobei der Ultraschallsender (2) eine Mittelachse (13) aufweist, welche die Messrohrachse (10) senkrecht schneidet, wobei die Messrohrachse (10) und die Mittelachse (13) des Ultraschallsenders (2) eine erste Ebene (14) aufspannen, eine zweite Ebene (15) senkrecht zur ersten Ebene (14) steht, wobei die Messrohrachse (10) in der zweiten Ebene (15) Liegt, und eine dritte Ebene (16) senkrecht auf der ersten Ebene (13) und der zweiten Ebene (14) steht, wobei die Mittelachse (13) des Ultraschallsenders (2) in der dritten Ebene (16) liegt, wobei die Projektionen senkrecht zur zweiten Ebene (14) der Ultraschallempfänger (3, 4) in die zweite Ebene (14) im Wesentlichen punktsymmetrisch zu dem Schnittpunkt (17) der drei Ebenen (14, 15, 16) liegen.Ultrasonic flow measuring system ( 1 ) for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium ( 6 ) through a measuring tube ( 5 ), which ultrasonic flow measuring system ( 1 ) at least one first ultrasonic transmitter ( 2 ), a first ultrasonic receiver ( 3 ) and at least one second ultrasonic receiver ( 4 ), wherein the first ultrasonic transmitter ( 2 ) at least one electromechanical transducer element ( 7 ), which converts electrical signals into acoustic signals, and wherein the ultrasonic receivers ( 3 . 4 ) at least one electromechanical transducer element ( 8th ), which convert acoustic signals into electrical signals, wherein the measuring tube ( 5 ) a measuring tube axis ( 10 ), and wherein the ultrasonic transmitter ( 2 ) a central axis ( 13 ), which the measuring tube axis ( 10 ) perpendicularly intersects, the measuring tube axis ( 10 ) and the central axis ( 13 ) of the ultrasonic transmitter ( 2 ) a first level ( 14 ), a second level ( 15 ) perpendicular to the first plane ( 14 ), the measuring tube axis ( 10 ) in the second level ( 15 ) And a third level ( 16 ) perpendicular to the first plane ( 13 ) and the second level ( 14 ), wherein the central axis ( 13 ) of the ultrasonic transmitter ( 2 ) in the third level ( 16 ), the projections being perpendicular to the second plane ( 14 ) the ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) to the second level ( 14 ) substantially point-symmetrical to the point of intersection ( 17 ) of the three levels ( 14 . 15 . 16 ) lie. Messsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem mindestens eine Regel-/Auswerteeinheit (9) aufweist, welche Regel-/Auswerteeinheit (9) anhand der Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr (5) strömenden Messmediums (6) ermittelt.Measuring system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the measuring system at least one control / evaluation unit ( 9 ), which control / evaluation unit ( 9 ) based on the measurement signals or on the basis of measurement data, which are derived from the measurement signals, the volume and / or the mass flow of the in the measuring tube ( 5 ) flowing measuring medium ( 6 ). Messsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Wandlerelemente (8) der Ultraschallempfänger (3, 4) jeweils eine schallempfangende Oberfläche (12) aufweisen, welche schallempfangende Oberfläche (12) eine Flächennormale (19) senkrecht zur schallempfangenden Oberfläche (12) aufweist, welche Flächennormale (19) die Messrohrachse (10) senkrecht schneidet.Measuring system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the electromechanical transducer elements ( 8th ) the ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) each have a sound-receiving surface ( 12 ), which sound-receiving surface ( 12 ) a surface normal ( 19 ) perpendicular to the sound-receiving surface ( 12 ), which surface normals ( 19 ) the measuring tube axis ( 10 ) cuts vertically. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (7) des Ultraschallsenders (2) eine schallaussendende Oberfläche (11) aufweist, welche schallaussendende Oberfläche (11) eine Flächennormale (18) senkrecht zur schallaussendenden Oberfläche (11) aufweist, welche Flächennormale (18) die Messrohrachse (10) senkrecht schneidet.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electromechanical transducer element ( 7 ) of the ultrasonic transmitter ( 2 ) a sound emitting surface ( 11 ), which sound-emitting surface ( 11 ) a surface normal ( 18 ) perpendicular to the sound-emitting surface ( 11 ), which surface normals ( 18 ) the measuring tube axis ( 10 ) cuts vertically. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) mindestens eine Schalleinkoppelfläche (20) aufweist, über welche Schalleinkoppelfläche (20) die akustischen Signale aus dem Ultraschallsender (2) in das Messmedium (6) einkoppelbar sind und dass die Ultraschallempfänger (3, 4) jeweils mindestens eine Schallauskoppelfläche (21) aufweisen, über welche Schallauskoppelflächen (21) die akustischen Signale aus dem Messmedium (6) in den jeweiligen Ultraschallempfänger (3, 4) auskoppelbar sind, wobei die Schallauskoppelflächen (21) der Ultraschallempfänger (3, 4) jeweils eine Flächennormale (24) senkrecht zur jeweiligen Schallauskoppelfläche (21) der Ultraschallempfänger (3, 4) aufweisen, welche Flächennormale (24) senkrecht auf der Schalleinkoppelfläche (20) steht.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ultrasonic transmitter ( 2 ) at least one sound coupling surface ( 20 ), via which sound coupling surface ( 20 ) the acoustic signals from the ultrasonic transmitter ( 2 ) into the measuring medium ( 6 ) and that the ultrasonic receivers ( 3 . 4 ) at least one sound output surface ( 21 ), via which sound output surfaces ( 21 ) the acoustic signals from the measuring medium ( 6 ) in the respective ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) can be decoupled, wherein the sound output surfaces ( 21 ) the ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) each have a surface normal ( 24 ) perpendicular to the respective sound output surface ( 21 ) the ultrasonic receiver ( 3 . 4 ), which surface normals ( 24 ) perpendicular to the Schallalleinkoppelfläche ( 20 ) stands. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (7) zumindest des ersten Ultraschallsenders (2) und die elektromechanischen Wandlerelemente (8) des ersten Ultraschallempfängers (3) und zumindest des zweiten Ultraschallempfängers (4) aus unterschiedlichen Piezokeramiken bestehen.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electromechanical transducer element ( 7 ) at least the first ultrasonic transmitter ( 2 ) and the electromechanical transducer elements ( 8th ) of the first ultrasound receiver ( 3 ) and at least the second ultrasonic receiver ( 4 ) consist of different piezoceramics. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Schallauskoppelfläche (21) der Ultraschallempfänger (3, 4) klein im Vergleich zur Schalleinkoppelfläche (20) des Ultraschallsenders (2) ist.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the respective sound output surface ( 21 ) the ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) small compared to the sound input surface ( 20 ) of the ultrasonic transmitter ( 2 ). Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) im Wesentlichen Ultraschall-Kugelwellen erzeugt.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ultrasonic transmitter ( 2 ) generates substantially ultrasonic spherical waves. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Ultraschallempfänger (3, 4) genau eine Regel-/Auswerteinheit (9) zugeordnet ist.Measuring system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that each ultrasonic receiver ( 3 . 4 ) exactly one control / evaluation unit ( 9 ) assigned.
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