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Die Erfindung betrifft ein System zur Durchflussmessung, und insbesondere ein System mit einer Vorrichtung zur Durchflussmessung eines Fluids mittels akustischer Oberflächenwellen.
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In einer Vielzahl technischer Anwendungen ist es erforderlich, eine Durchflussmessung in Bezug auf ein durch Rohre oder Schläuche strömendes Fluid oder Medium durchzuführen. Zum einen ist es wichtig, die einem Prozess zuzuführenden Mengen eines Fluids zu bestimmen, zum anderen kann es erforderlich sein, in Abhängigkeit von der Art des Fluids und der Bereitstellung einer bestimmten Menge entsprechende Gebühren zu berechnen. Ferner ist beispielsweise auch im medizinischen Bereich bei der Zuführung lebenswichtiger Substanzen eine genaue Durchflussmessung auch bei geringen zuzuführenden Mengen erforderlich.
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In einfachen Messanordnungen sind mechanische Einrichtungen bekannt, die eine Durchflussmessung bereitstellen können. Hierbei sind jedoch im Allgemeinen Eingriffe in ein Rohr oder in einen Schlauch oder auch beispielsweise innerhalb oder außerhalb eines mit dem Fluid gefüllten Behälters erforderlich, um entsprechende Bauelemente in Kontakt mit dem strömenden Fluid zu bringen, wobei im Einzelnen eine Information bezüglich einer Strömungsgeschwindigkeit erhalten wird. Zur Bestimmung einer Stoffmenge, die das betreffende Rohr oder den betreffenden Schlauch durchströmt, sind die Dimensionen derselben sowie die erforderliche Messzeit in Verbindung mit der Strömungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Eine Integration über eine entsprechende Messzeit führt mit den Dimensionen des Rohrs oder Schlauchs zur strömenden Gesamtmenge.
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Die einfachen mechanischen Verfahren erfordern jedoch entsprechende mechanische Elemente innerhalb des Rohrs oder Schlauchs, so dass sie in Kontakt mit dem strömenden Fluid stehen. Im Vergleich dazu sind so genannte nichtinvasive Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise mittels Ultraschallsignalen eine Durchflussmessung durchgeführt werden kann, ohne dass Bauelemente in die Fluidströmung eingebracht werden müssen. In diesem Fall werden an ein Rohr oder an einen Schlauch mit dem darin strömenden und hinsichtlich seiner Strömungsgeschwindigkeit zu erfassenden Fluid entsprechende Messeinrichtungen von außen angesetzt, wobei diese somit nicht dem strömenden Fluid ausgesetzt sind.
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Eine Anordnung zur nichtinvasiven Durchflussmessung in Rohren, Schläuchen oder rohrähnlichen Behältern ist in 5 gezeigt. 5 veranschaulicht eine Erfassungsvorrichtung E, die von außen an ein Rohr oder einen Schlauch R angesetzt ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung der bekannten Anordnung gemäß 5 wird nachstehend lediglich das Rohr R genannt, wobei dies in gleicher Weise für einen ähnlich gestalteten Schlauch oder rohrförmigen Behälter gilt.
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An den äußeren Oberflächen des Rohrs R und diametral gegenüber sind jeweils Sensorelemente S1 und S2 angeordnet, die derart ausgebildet sind, dass sie beispielsweise Ultraschallsignale über eine Rohrwand W in ein Fluid oder Medium M einkoppeln oder einstrahlen können. Die Ultraschallsignale sind symbolisch in 5 durch Pfeile U angedeutet. Für eine schräge Einkopplung der Ultraschallsignale dienen jeweilige keilförmige Festkörper bzw. Keile K1 und K2, die zwischen dem jeweiligen Sensorelement S1 und S2 und der Rohrwand W angeordnet sind, die Sensorelemente S1 und S2 und die Rohrwand W berühren und eine Ankopplung der Ultraschallsignale zur Rohrwand W und in das Innere des Rohrs R zu dem Medium M bewirken.
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Bei einer derartigen bekannten nichtinvasiven Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflussmessung von Fluiden und vorzugsweise von Flüssigkeiten, werden die Ultraschallsignale in der Weise in das Innere des Rohrs R gerichtet, dass gleichzeitig eine Laufzeit der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung erfasst werden kann. Die Strömungsrichtung des Fluids oder Mediums M ist beispielhaft mit einem Pfeil P bezeichnet. Aus den beiden Zeitwerten wird eine Differenz oder Laufzeitdifferenz gebildet, wobei diese Laufzeitdifferenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums M darstellt. Hierzu ist die schräge Einstrahlung oder Einkopplung der Ultraschallsignale in das Medium über die Keile K1 und K2 erforderlich.
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Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 2 604 982 A1 bekannt.
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Die in dieser Druckschrift beschriebene Anordnung weist in geringer Abwandlung der Keile K1 und K2 von 5 entsprechende Ankopplungselemente auf, an denen jeweils zwei Sensorelemente in Form von Ultraschall-Sendern und Ultraschall-Empfängern angeordnet werden können. Mittels der insgesamt vier Sensorelemente können Ultraschallsignale von außen in ein Rohr (oder einen Schlauch), in dem ein zu erfassendes Medium strömt, eingestrahlt und aus dem Medium empfangen werden. Die das Ergebnis repräsentierenden elektrischen Signale können ebenfalls über eine Betrachtung von Laufzeitdifferenzen ausgewertet werden, wobei in gleicher Weise wie in 5 Laufzeitmessungen in Richtung der Strömung des Mediums und in der entgegengesetzten Richtung erfolgen.
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Die bekannte Anordnung kann entsprechend einem modulartigen Aufbau in einem eigenen Gehäuse von außen an das Rohr oder den Schlauch mit dem zu erfassenden Medium angesetzt werden.
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Bei verschiedenen Anwendungen treten unterschiedliche Rohre und Schläuche mit verschiedenen Durchmessern sowie ebenfalls unterschiedliche Medien auf, so dass sich individuelle Strömungsgeschwindigkeiten ausbilden. Eine genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit ist grundsätzlich bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten möglich, wobei die Genauigkeit der Erfassung bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten ebenfalls geringer wird, da die Laufzeitunterschiede geringer werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang ein möglichst langer Schallpfad durch das Medium, so dass damit die Messgenauigkeit erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang sind die Keile gemäß
5 oder die Ankopplungselemente gemäß der Druckschrift
EP 2 604 982 A1 mit einem entsprechenden Keilwinkel versehen, der auf der Basis der Schallgeschwindigkeit des Materials der Keile, der Rohrwand und des Mediums derart gewählt werden kann, dass der gewünschte lange Schallpfad entsteht, der auch die Erfassung in und entgegen der Strömungsrichtung erlaubt. Hierbei ist jedoch der Schallpfad auch von der Dimensionierung des Rohrs abhängig und kann nicht auf einfache und beliebige Weise vergrößert werden.
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6 zeigt die Erfassungsvorrichtung E gemäß 5 in einer geänderten Anordnung an einem Rohr oder rohrförmigen Behälter RB, dessen Durchmesser im Bereich der Anordnung der Sensorelemente S1 und S2 vergrößert ist. Speziell ist der erste Innendurchmesser Di1 in einem Bereich B größer als der zweite Innendurchmesser Di2 der weiteren an den rohrförmigen Behälter RB angeschlossenen Rohre R. Ein Pfeil P deutet die Strömungsrichtung des Mediums M an.
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Infolge des vergrößerten ersten Durchmessers Di1 gegenüber dem zweiten Durchmesser Di2 ergibt sich ein längerer Laufweg der Ultraschallsignale U in dem rohrförmigen Behälter RB und damit in dem Medium M, wobei jedoch infolge der Vergrößerung des Durchmessers die Strömungsgeschwindigkeit bei sonst gleichen Durchflussmengen vermindert ist. Auf diese Weise wird ungeachtet eines Gewinns an größerer Weglänge der Ultraschallsignale U im Inneren des rohrförmigen Behälters RB in nachteiliger Weise die zu erfassende Strömungsgeschwindigkeit vermindert. Eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit kann daher mit den bekannten und vorstehend beschriebenen Anordnungen nicht oder nicht auf einfache Weise erreicht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System mit einer Vorrichtung zur Durchflussmessung derart auszugestalten, dass auf einfache Weise eine Verbesserung der Messgenauigkeit der Durchflussmessung insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eines zu erfassenden Mediums gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System zur Durchflussmessung sowie eine Vorrichtung zur Durchflussmessung gemäß den Merkmalen der beigefügten Schutzansprüche gelöst.
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Das System zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums umfasst gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Rohr oder einen Schlauch, in dem das Medium in einer Richtung strömt, und eine Vorrichtung zur Durchflussmessung, die an dem Rohr oder Schlauch berührend angebracht ist, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste Erfassungseinheit und eine zweite Erfassungseinheit, die beide ausgebildet sind zum Senden von Ultraschallsignalen in das Medium und Empfangen von Ultraschallsignalen aus dem Medium, und wobei das Rohr oder der Schlauch einen ersten Abschnitt in einer ersten Erstreckungsrichtung, einen zweiten Abschnitt in einer zweiten Erstreckungsrichtung und einen dritten Abschnitt in einer dritten Erstreckungsrichtung aufweist, und die zweite Erstreckungsrichtung zu der ersten und dritten Erstreckungsrichtung der jeweiligen Abschnitte einen vorbestimmten Winkel aufweist, und die erste und zweite Erfassungseinrichtung jeweils an dem ersten und dritten Abschnitt angeordnet sind und Ultraschallsignale mit dem vorbestimmten Winkel in das Medium zur Durchflussmessung senden und aus diesem empfangen.
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Das System zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums umfasst gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein System zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums mit: einem Rohr oder Schlauch, in dem das Medium in einer Richtung strömt, und einer Vorrichtung zur Durchflussmessung, die an dem Rohr oder Schlauch berührend angebracht ist, mit: einer ersten Erfassungseinheit und einer zweiten Erfassungseinheit, die beide ausgebildet sind zum Senden von Ultraschallsignalen in das Medium und Empfangen von Ultraschallsignalen aus dem Medium, und wobei das Rohr oder der Schlauch einen ersten Abschnitt in einer ersten Erstreckungsrichtung, einen zweiten Abschnitt in einer zweiten Erstreckungsrichtung und einen dritten Abschnitt in einer dritten Erstreckungsrichtung aufweist, und die zweite Erstreckungsrichtung zu der ersten und dritten Erstreckungsrichtung der jeweiligen Abschnitte einen vorbestimmten Winkel aufweist, und die erste und zweite Erfassungseinrichtung jeweils an dem ersten und dritten Abschnitt angeordnet sind und Ultraschallsignale mit dem vorbestimmten Winkel in das Medium zur Durchflussmessung senden und aus diesem empfangen, und ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil vorgesehen sind, wobei jedes Gehäuseteil einerseits eine rillenförmige Vertiefung aufweist zur Aufnahme des Rohrs oder Schlauchs, und andererseits im Bereich der Anordnung des ersten und dritten Abschnitts des Rohrs oder Schlauchs im eingesetzten Zustand Vertiefungen vorgesehen sind zur jeweiligen Aufnahme der ersten und zweiten Erfassungseinheit, so dass nach dem passenden Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile das Rohr oder der Schlauch sowie die erste und zweite Erfassungseinheit in ihrer jeweiligen Position sicher gehalten werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung (System und Vorrichtung) gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung und entsprechend den Merkmalen der Schutzansprüche kann auf einfache Weise eine sehr genaue Erfassung auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums erreicht werden. Die Anordnung des Systems und der Vorrichtung zur Durchflussmessung in Verbindung mit getrennten Erfassungseinheiten an vorbestimmten Positionen des zu erfassenden Rohrs oder Schlauchs und der vorbestimmten geometrischen Anordnung des Rohrs oder Schlauchs ermöglicht die Bereitstellung eines relativ langen Erfassungswegs oder Laufwegs der Ultraschallsignale innerhalb des Rohrs oder Schlauchs und damit innerhalb des Mediums, so dass durch den verlängerten Laufweg der Ultraschallsignale in dem Medium auch bei kleinen oder sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums in dem Rohr oder Schlauch eine ausreichend große Laufzeitdifferenz zur Auswertung zur Verfügung steht und somit ein genaues Ergebnis erhalten werden kann.
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Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen die Ultraschallsignale im Wesentlichen quer oder schräg zu einer gedachten Mittellinie oder Erstreckungsrichtung des Rohrs oder Schlauchs akustisch eingekoppelt werden und in diesen Richtungen das Medium durchlaufen, ist die Laufrichtung (Ausbreitungsrichtung) der Ultraschallsignale innerhalb des Rohrs oder Schlauchs und somit innerhalb des Mediums im Wesentlichen entlang oder parallel zur gedachten Mittellinie (in Strömungsrichtung und entgegen derselben) eines vorbestimmten Abschnitts des Rohrs oder Schlauchs vorgesehen, so dass auch störende Reflexionen und eine übermäßige Dämpfung der Ultraschallsignale vermieden werden.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird das elastische Rohr oder der Schlauch in das zumindest zweiteilige Gehäuse eingelegt, das hierzu die erforderlichen rillenförmigen Vertiefungen aufweist, die in ihrer Dimensionierung den Abmessungen des elastischen Rohrs oder Schlauchs entsprechen. Wird das elastische Rohr oder wird der Schlauch in die Vertiefungen eingelegt und werden die Gehäuseteile zusammengesetzt, dann werden sowohl das elastische Rohr oder der Schlauch als auch die beiden Erfassungseinrichtungen innerhalb des Gehäuses in Verbindung mit den Vertiefungen ortsfest und sicher gehalten, so dass ein modulartiger Aufbau verwirklicht werden kann. Durch die rillenförmigen Vertiefungen wird selbsttätig die geometrische Form oder Lage des elastischen Rohrs oder des Schlauchs exakt bestimmt und wird auch bei Erschütterungen sicher beibehalten.
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Es kann somit in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Systems und der Vorrichtung auf einfache Weise eine Verbesserung der Messgenauigkeit der Durchflussmessung erhalten werden, wobei die von außen an das Rohr oder den Schlauch anzubringende Vorrichtung beibehalten und weiterhin eine nichtinvasive Durchflussmessung durchgeführt werden kann. Eine in 6 dargestellte Erweiterung eines Rohr- oder Schlauchdurchmessers zur Erzeugung eines längeren Laufwegs für zur Messung verwendete Ultraschallsignale ist nicht erforderlich, so dass mit Ausnahme der erforderlichen geometrischen Anordnung des Rohrs oder Schlauchs, in denen das Medium strömt, dessen Strömungsgeschwindigkeit erfasst wird, an dem Rohr oder Schlauch keine weiteren Änderungen vorzunehmen sind.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Es kann jede Erfassungseinheit ein Koppelelement und ein Sensorelement aufweisen, das auf dem jeweiligen Koppelelement angeordnet ist und in dem betreffenden Koppelelement Oberflächenwellen erzeugt, und wobei das jeweilige Koppelelement das Rohr oder den Schlauch berührt und die Ultraschallsignale mit dem vorbestimmten Winkel in das Medium einbringt.
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Die in das Medium eingebrachten Ultraschallsignale der ersten und zweiten Erfassungseinheit können den zweiten Abschnitt entlang der zweiten Erstreckungsrichtung innerhalb des Mediums durchlaufen.
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Es kann zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt ein erster Biegebereich und zwischen dem zweiten und dritten Abschnitt ein zweiter Biegebereich angeordnet sein, und es kann ferner die erste Erfassungseinheit an dem ersten Abschnitt benachbart zu dem ersten Biegebereich und die zweite Erfassungseinheit an dem dritten Abschnitt benachbart zu dem zweiten Biegebereich angeordnet sein.
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Es kann der vorbestimmte Winkel der Moden-Winkel sein, mit dem die Ultraschallsignale von dem jeweiligen Koppelelement in das Medium eingebracht werden.
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Es können der erste bis dritte Abschnitt und die beiden Biegebereiche dieselbe Querschnittsfläche zur Durchströmung des Mediums aufweisen.
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Die an dem Rohr oder Schlauch berührend angebrachte erste und zweite Erfassungseinheit können durch den zweiten Abschnitt und die Biegebereiche zueinander beabstandet sein.
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Die in das Medium eingebrachten Ultraschallsignale einer der ersten und zweiten Erfassungseinheit können entlang der zweiten Erstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts in Strömungsrichtung und diejenigen der anderen der ersten und zweiten Erfassungseinheit können das Medium entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Mediums durchlaufen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung des Rohrs oder Schlauchs mit der vorbestimmten geometrischen Anordnung weist zwischen zwei Biegebereichen einen geradlinigen Bereich auf, in dem sich bei dem Mediums nach dem Biegebereich in Strömungsrichtung eine zumindest annähernd gleichförmige Strömung ausbildet, und wobei die Ultraschallsignale (unter Berücksichtigung unvermeidbarer Toleranzen etwa) parallel zur Strömungsrichtung und zur gedachten Mittellinie des geraden Teils des Rohrs oder Schlauchs verlaufen und somit kein Verlauf der Ultraschallsignale schräg zu der Strömungsrichtung vorliegt. Es wird auf diese Weise ein weiterer Gewinn an Messgenauigkeit bei der Durchflussmessung erzielt.
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Der Verlauf des geraden Teils des Rohrs oder Schlauchs zwischen den Biegebereichen verläuft in einem vorbestimmten Winkel relativ zu der Erstreckungsrichtung des Teils (bzw. der Teile) des Rohrs jeweils vor und nach den Biegebereichen. Der vorbestimmte Winkel entspricht dem Moden-Konversionswinkel oder Moden-Winkel, der sich entsprechend der Moden-Konversion beim Eintritt der Ultraschallsignale in das Medium ergibt. Die Erfassungseinheiten bringen somit die Ultraschallsignale in Verbindung mit der Moden-Konversion mit dem vorbestimmten oder Moden-Winkel in das Medium ein und empfangen entsprechende Signale, die in dem Moden-Winkel (über eine benachbarte Rohrwand) auf die Erfassungseinheit treffen. Die gedachte Mittellinie des geraden Teils des Rohrs oder Schlauchs zwischen den beiden Biegebereichen verläuft somit in dem Moden-Winkel relativ zu den Mittellinien der Rohr- oder Schlauchteile vor oder nach dem jeweiligen Biegebereich.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung der Anordnung einer Erfassungseinheit zur Durchflussmessung an der Wand eines Rohrs, durch das das zu erfassende Medium strömt,
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2 eine schematische Darstellung eines Rohrs oder Schlauchs mit einer vorbestimmten geometrischen Form,
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3 die Anordnung des Rohrs oder Schlauchs gemäß 2 des Systems in Verbindung mit Erfassungseinheiten an vorbestimmten Positionen des Rohrs oder Schlauchs,
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4 eine Schrägansicht eines Moduls, in das ein biegsames Rohr oder ein Schlauch eingelegt wird zur Bereitstellung der vorbestimmten geometrischen Form,
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5 eine bekannte Anordnung einer Einrichtung zur Durchflussmessung an einem Rohr, und
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6 eine bekannte Anordnung zur Durchflussmessung an einem Rohr mit einem erweiterten Durchmesser.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die die 1 bis 3 beschrieben.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht als Teil der Vorrichtung V zur Durchflussmessung die Anordnung einer ersten Erfassungseinheit 10, die an einem Teil eines Rohrs 1 und speziell an einer Rohrwand 2 desselben angebracht ist. In dem Rohr 1 strömt das zu erfassende Medium 3, dessen Strömung und speziell dessen Strömungsgeschwindigkeit erfasst wird. Die Strömungsrichtung des Mediums 3 ist in 1 und weiteren Figuren mit einem Pfeil P bezeichnet.
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In der vorstehenden Beschreibung wurde mit 1 ein Rohr bezeichnet, an dessen Wand 2 die erste Erfassungseinheit 10 angeordnet ist. Nachfolgend wird in der Beschreibung zur Vereinfachung Bezug auf ein Rohr genommen, wobei jedoch auch ein flexibles Rohr, das in vorbestimmter Weise verformbar ist, oder ein Schlauch verwendet werden können. Die nachfolgende Darstellung in Verbindung mit dem Rohr 1 gilt sinngemäß jeweils für das flexible (elastische) Rohr oder den Schlauch, und für den Fall, dass in der Beschreibung lediglich die Darstellung auf die Anwendung eines Schlauchs oder flexiblen Rohrs gerichtet ist, wird dies explizit genannt. Somit steht der Begriff des Rohrs stellvertretend für die Begriffe des Rohrs, des flexiblen Rohrs oder des Schlauchs.
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Gemäß 1 weist die erste Erfassungseinheit 10 ein erstes Sensorelement 11 sowie ein erstes Koppelelement 12 auf. Das erste Sensorelement 11 ist derart ausgebildet, dass es Ultraschallsignale mit vorbestimmten Frequenzen oder Frequenzbereichen erzeugen kann und somit eine Sendefunktion beinhaltet, als auch Ultraschallsignale mit vorbestimmten Frequenzen oder Frequenzbereichen aufnehmen kann, und somit ebenfalls eine Empfängerfunktion (Empfangsfunktion) aufweist. Das erste Sensorelement 11 stellt somit einen Wandler für Ultraschallsignale hinsichtlich des Empfangens oder Sendens der Ultraschallsignale dar.
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Das erste Sensorelement 11 ist auf dem ersten Koppelelement 12 in mechanischer Wirkverbindung (d. h. berührend) angeordnet, so dass vom ersten Sensorelement 11 erzeugte Ultraschallsignale in das erste Koppelelement 12 eingegeben werden und das erste Koppelelement 12 zu entsprechenden Schwingungen angeregt wird. In dem ersten Koppelelement bilden sich akustische Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAW) aus. In gleicher Weise können bei Anregung des ersten Koppelelements 12 durch von extern zugeführte Schwingungen diese durch das erste Sensorelement 11 aufgenommen werden.
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Gemäß 1 ist die erste Erfassungseinheit 10 mit dem ersten Sensorelement 11 und dem ersten Koppelelement 12 auf der äußeren Oberfläche der Rohrwand 2 angeordnet, und es berührt das erste Koppelelement 12 die Rohrwand 2. Wird das erste Koppelelement 12 durch das erste Sensorelement 11 in Schwingungen versetzt, dann breiten sich diese Schwingungen in Form von Oberflächenwellen im ersten Koppelelement 12 aus und werden durch die mechanische Anlage des ersten Koppelelements 12 an der Rohrwand 2 in die Rohrwand 2 des Rohrs 1 übertragen. Mit der dadurch ebenfalls schwingenden Rohrwand 2 werden die Schwingungen bzw. Oberflächenwellen auf das Medium 3 übertragen. Die Schwingungen breiten sich in vorbestimmter Weise innerhalb des Mediums 3 und somit innerhalb des Rohrs 1 (innerhalb der Rohrwand 2) im Wesentlichen bzw. überwiegend in Form von aus Longitudinalwellen aus. Diese sind schematisch in 1 als Ultraschallsignale oder Wellenfronten W1 veranschaulicht.
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Hierbei tritt der Effekt der Moden-Konversion auf, da Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit zwischen den Festkörpern des ersten Koppelelements 12 und des Rohrs 1 (der Rohrwand 2) vorliegen. Die Einkopplung bzw. Einstrahlung der Ultraschallsignale von dem ersten Koppelelement 12 in die Rohrwand 2 (in Form von Oberflächenwellen) und in das Medium 3 (überwiegend als Longitudinalwellen) erfolgt somit in Verbindung mit der auftretenden Moden-Konversion in einem schrägen Winkel, der ein vorbestimmter Winkel ist und der dem Moden-Winkel oder Lamb-Winkel Θ (nachstehend vereinfacht als Moden-Winkel oder vorbestimmter Winkel bezeichnet) entspricht. Aus diesen physikalischen Grundlagen resultiert eine schräge Durchschallung des Mediums 3, wie es in 1 gezeigt ist. Der Moden-Winkel Θ ist somit von den verwendeten Materialien der die Ultraschallsignale leitenden Elemente sowie dem Medium 3 abhängig. Der Modenwinkel ist ferner abhängig von der Frequenz der das erste Koppelelement 12 anregenden Schwingungssignale, da die jeweiligen Schallgeschwindigkeiten, d. h. die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungen in dem ersten Koppelelement 12 und in dem Medium 3 eine Frequenzabhängigkeit aufweisen.
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Mit Bezugszeichen 4 ist in der Rohrwand 2 und dem ersten Koppelelement 12 symbolisch eine Schwingung als eine schematische Oberflächenwelle dargestellt, wie sie beispielsweise angeregt wird durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten Sensorelements 11 oder wie sie erzeugt werden kann, wenn von einer entfernt liegenden Anregungsquelle entsprechende Schallwellen (Ultraschallsignale) aus dem Medium 3 auf die Rohrwand 2 und das erste Koppelelement 12 auftreffen.
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Es ist hierbei zu beachten, dass die schräge Einstrahlung der Ultraschallsignale oder Schallwellen bei den bekannten Vorrichtungen gemäß den 5 und 6 herbeigeführt wird durch die keilförmigen Koppelelemente, insbesondere durch die spezielle Ausgestaltung des Winkels der keilförmigen Elemente.
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Mit der infolge der Moden-Konversion auftretenden schrägen Durchschallung des Mediums 3 ergibt sich gemäß der vorliegenden Erfindung ein schräger Durchlauf der Ultraschallsignale oder Schallwellen durch das Medium 3 von einer Seite der Rohrwand 2 zur gegenüberliegenden inneren Oberfläche der Rohrwand 2, so dass im Wesentlichen die Länge der Schallstrecke durch das Medium 3 in Verbindung mit den in dem ersten Koppelelement 12 und der benachbarten Rohrwand 2 durch den Moden-Winkel Θ der erzeugten Oberflächenwellen begrenzt ist. Der Begriff der schrägen Durchschallung bezieht sich auf einen Weg der Ultraschallsignale in einer Richtung relativ zur Erstreckungsrichtung des Rohrs 1 (bzw. eines betreffenden Rohrteils) und der Rohrwand 2 entlang der Strömungsrichtung des Mediums 3 sowie einer ersten Linie L1, die nachstehend in Verbindung mit den 2 und 3 noch im Einzelnen beschrieben wird.
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Im Wesentlichen ist somit die Länge des Laufwegs der Ultraschallsignale innerhalb des Rohrs 1 (d. h. zwischen den gegenüber liegenden inneren Oberflächen der Rohrwand 2) infolge der modenkonvertierten Ultraschallsignale oder Schallwellen durch das Medium 3 (durch das Rohr 1) durch den Rohrdurchmesser, d.h. dem Abstand einander diametral gegenüberliegender Teile der Rohrwand 2 in Verbindung mit dem Moden-Winkel Θ begrenzt.
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2 zeigt die Anordnung des Rohrs 1 mit einer speziellen geometrischen Ausgestaltung, wobei an vorbestimmten und im Zusammenhang mit 3 nachstehend noch beschriebenen speziellen Positionen die erste Erfassungseinheit 10 und eine zweite Erfassungseinheit 20 angeordnet sind.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Rohr, wobei die Darstellung vereinfacht ist und das Rohr 1 sich erheblich über den in 2 dargestellten Teil hinaus erstrecken kann.
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Gemäß 2 umfasst das Rohr 1 einen ersten Abschnitt R1, der sich entlang der bereits in 1 angedeuteten ersten Linie L1 entsprechend einer ersten Erstreckungsrichtung erstreckt. Der erste Abschnitt R1 grenzt an einen ersten Biegebereich 1 an, in dem das Rohr (mit Ausnahme unvermeidbarer Toleranzen) unter im Wesentlichen Beibehalten des Durchmessers in einer ersten Biegerichtung und mit einem vorbestimmten Winkel gebogen ist.
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An den ersten Biegebereich B1 schließt sich unmittelbar ein zweiter Abschnitt R2 des Rohrs 1 an, der ein gerader Abschnitt ist und der sich entlang einer zweiten Linie L2 entsprechend einer zweiten Erstreckungsrichtung in gerader Form erstreckt. An den zweiten Abschnitt R2 erstreckt sich ein zweiter Biegebereich B2, bei dem das Rohr 1 unter im Wesentlichen Beibehaltung des Durchmessers in einer zweiten (zur ersten Biegerichtung entgegengesetzten) Biegerichtung und mit dem vorbestimmten Winkel gebogen ist.
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An den zweiten Biegebereich B2 schließt sich direkt ein dritter Abschnitt R3 an, der sich unter Beibehaltung des Durchmessers des Rohrs 1 geradlinig entlang einer dritten Linie L3 entsprechend einer dritten Erstreckungsrichtung von dem zweiten Biegebereich B2 weg erstreckt.
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Die Abschnitte R1 bis R3 des Rohrs 1 und die Biegebereiche B1 und B2 können als einzelne Teile aneinander gefügt werden, sind jedoch vorzugsweise (speziell im Falle eines Schlauchs) einstückig ausgebildet. Die einzelnen Abschnitte R1 bis R3 weisen (bis auf entsprechende Toleranzen und im Rahmen der Fertigungsmöglichkeiten) einen gleichmäßigen Durchmesser auf, zumindest betreffend den Innendurchmesser des Rohrs 1.
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Der erste Biegebereich B1 und der zweite Biegebereich B2 weisen jeweils eine zueinander in der entgegengesetzten Richtung (Biegerichtung) ausgebildete Biegung auf. Im Ergebnis dieser Biegung stehen die erste Linie L1 des ersten Abschnitts R1 und die zweite Linie L2 des zweiten Abschnitts R2 (und somit die jeweiligen Erstreckungsrichtungen) in einem vorbestimmten Winkel aufeinander, der dem vorstehend angegebenen Moden-Winkel oder Lamb-Winkel Θ entspricht. Es ist dies in einer entsprechenden Darstellung in 2 gezeigt. In gleicher Weise stehen die zweite Linie L2 des zweiten Abschnitts R2 und die dritte Linie L3 des dritten Abschnitts R3 (und somit die jeweiligen Erstreckungsrichtungen) in dem gleichen Winkel Θ aufeinander, so dass im Ergebnis die erste Linie L1 und die dritte Linie L3 zueinander (bis auf unvermeidliche Toleranzen im Rahmen technischer Möglichkeiten) zueinander parallel verlaufen und sich ein ungefähr S-förmige geometrische Struktur des Rohrs 1 ergibt. Somit sind die erste und die dritte Erstreckungsrichtung im Wesentlichen zueinander parallel. Zur Vereinfachung der Darstellung in 2 (und auch in 3) verlaufen die erste und dritte Linie L1 und L3 in horizontaler Richtung, und verläuft die zweite Linie L2 in einem schrägen Winkel zu der ersten und dritten Linie L1 und L3 entsprechend dem Moden-Winkel Θ.
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Gemäß 2 wird dies durch entsprechende Pfeile dargestellt, die einander entsprechend dem Moden-Winkel Θ kreuzen, wobei der horizontale Pfeil der Raumrichtung der ersten und dritten Linie L1 und L3 entspricht, und der schräg angeordnete Pfeil der Raumrichtung der zweiten Linie L2 entspricht.
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Im Wesentlichen ist somit das Rohr 1 gemäß der Darstellung in 2 annähernd S-förmig gebogen, wobei die ungefähr (bis auf unvermeidbare Toleranzen) parallel verlaufenden Linie L1 und L3 geometrisch zueinander versetzt sind.
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2 zeigt ferner das Medium 3 innerhalb des Rohrs 1, wobei dies beispielsweise eine Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil P aufweist. Die vorgesehene Strömungsrichtung des Mediums 3 gemäß dem Pfeil P ist lediglich beispielhaft, und es kann die Strömungsrichtung des Mediums 3 auch entgegengesetzt gerichtet sein. Die vorliegende Erfindung ist auf eine bestimmte Strömungsrichtung nicht beschränkt.
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3 zeigt das Rohr 1 mit der vorbestimmten geometrischen Ausgestaltung, wie sie in 2 dargestellt und vorstehend entsprechend beschrieben wurde. Die mit dem Pfeil P gekennzeichnete Strömungsrichtung des Mediums 3 verläuft gemäß der Darstellung in 3 ähnlich der Darstellung in 2 beispielhaft in der Bildebene von links nach rechts.
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3 fasst den Inhalt der 1 und 2 in der Weise zusammen, dass an dem Rohr 1 an dessen äußerer Oberfläche im ersten Abschnitt R1 und somit im Bereich der ersten Linie L1 die erste Erfassungseinheit 10 angeordnet ist, wie sie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. In gleicher Weise ist im dritten Abschnitt R3 des Rohrs 1 an der äußeren Oberfläche desselben die zweite Erfassungseinheit 20 angeordnet, die nicht zwingend aber vorzugsweise einen gleichartigen Aufbau die wie erste Erfassungseinheit 10 aufweist.
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Die zweite Erfassungseinheit 20 umfasst ein zweites Sensorelement 21 und ein zweites Koppelelement 22. Das zweite Sensorelement 21 ist mit Berührung auf dem zweiten Koppelelement 22 auf dessen einer Oberfläche angeordnet, und es ist das Koppelelement 22 mit seiner anderen Oberfläche an der Rohrwand 2 im Bereich der dritten Linie L3 und des dritten Abschnitts R3 ebenfalls mit jeweiliger Berührung angeordnet. Das zweite Sensorelement 21 kann in gleicher Weise wie das erste Sensorelement 11 mittels elektrischer Signale angesteuert werden zur Erzeugung und Abgabe von Schwingungen oder zur Aufnahme von Schwingungen (Ultraschallsignale). Im Einzelnen werden (in gleicher Weise wie beim ersten Sensorelement 11) die in dem zweiten Sensorelement 21 erzeugten Schwingungen in das zweite Koppelelement 22 übertragen und bilden in dem zweiten Koppelelement 22 Oberflächenwellen bzw. das zweite Koppelelement 22 wird zu Oberflächenschwingungen angeregt, die über die Rohrwand 2 in das Medium 3 entsprechend dem vorbestimmten oder Moden-Winkel Θ übertragen werden und sich dort als Longitudinalwellen im Wesentlichen linear ausbreiten.
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Die Wellenausbreitung ist in 1 durch ein Ultraschallsignal bzw. Schallweg (Wellenfront) W1 symbolisch angedeutet im Zusammenhang mit einer schematischen Darstellung der Ausbreitungsrichtung der modenkonvertierten Ultraschallsignale innerhalb des Mediums 3 entsprechend dem vorbestimmten oder Moden-Winkel Θ.
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In gleicher Weise gilt dies spiegelsymmetrisch für die Anordnungen der zweiten Erfassungseinheit 20 in 3, wobei die beiden Erfassungseinheiten 10 und 20 jeweils an der Außenseite des ersten und dritten Abschnitts R1 und R3 entsprechend benachbart zu den Biegebereichen B1 oder B2 angeordnet sind. Die in den jeweiligen Koppelelementen 12 und 22 angeregten Oberflächenwellen verlaufen somit in dem jeweiligen Koppelelement 12 oder 22 und in der unmittelbar benachbart angeordneten Rohrwand 2 in jeweiliger Richtung der ersten oder dritten Linie L1 oder L3 (die im Wesentlichen parallel zueinander sind), und werden infolge der Moden-Konversion schräg mit dem Moden-Winkel Θ (relativ zur Richtung der ersten oder dritten Linie L1 oder L3) in das Medium 3 übertragen.
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Es ist dies in 3 durch das Ultraschallsignal bzw. den Schallweg (Wellenfront) W1 des ersten Sensorelements 11 (der ersten Erfassungseinheit 10) und durch das Ultraschallsignal bzw. den Schallweg (Wellenfront) W2 des zweiten Sensorelements 21 (der zweiten Erfassungseinheit 20) angedeutet. Die Verlaufs- oder Ausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale W1 und W2 verläuft entlang der zweiten Linie L2 im Wesentlichen in einem Teil des jeweiligen Biegebereichs B1 und B2 benachbart zu der jeweiligen Erfassungseinheit 10 und 20 und hauptsächlich in dem zweiten Abschnitt R2 des Rohrs 1 entlang oder parallel zur zweiten Linie L2. Im Einzelnen wird der zweite Abschnitt R2 des Rohrs 1 vollständig von den Ultraschallsignalen W1 und W2 (in zueinander entgegengesetzten Richtungen) durchlaufen.
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In Verbindung mit der Darstellung in 3 umfasst die Vorrichtung V die erste und zweite Erfassungseinheit 10 und 20 mit dem ersten Sensorelement 11, dem ersten Koppelelement 12, dem zweiten Sensorelement 21 und dem zweiten Koppelelement 22. Die Wirkungsweise der Vorrichtung V und speziell der einzelnen Erfassungseinheiten 10 und 20 wird nachstehend beschrieben.
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Gemäß der Darstellung in 1 wird entsprechend einer Ansteuerung des ersten Sensorelements 11 mittels entsprechender elektrischer Signale das erste Koppelelement 12 in Schwingungen versetzt, wobei sich Oberflächenwellen in dem ersten Koppelelement 12 ausbilden. In Verbindung mit einer Moden-Konversion werden die Oberflächenwellen von dem ersten Koppelelement 12 über die Rohrwand 2 in das Medium 3 übertragen, wobei die Ausbreitung der durch die Oberflächenwellen in dem ersten Koppelelement 12 angeregten Wellen innerhalb des Mediums 3 ausgehend von der Rohrwand 2 entsprechend dem vorbestimmten Winkel oder Moden-Winkel Θ erfolgt. Es ist dies in 3 angedeutet, wobei symbolisch mittels Pfeilen die Ultraschallsignale (Wellenfronten) W1 veranschaulicht sind, die entsprechend dem vorbestimmten Winkel Θ von der Rohrwand 2 (und entsprechend der Darstellung in den 1 und 3) unterhalb des ersten Koppelelements 12 austreten. Die Ultraschallsignale W1 der eingekoppelten Wellen durchlaufen das Medium 3 nunmehr in Längsrichtung des zweiten Rohrabschnitts R2 entlang der zweiten Linie L2, und laufen somit in Richtung der Strömung des Mediums 3, die mittels des Pfeils P angedeutet ist. Die Ultraschallsignale W1 treffen nach Durchlaufen des gesamten zweiten Rohrabschnitts R2 und geringer Teile des jeweiligen ersten und zweiten Biegebereichs B1 und B2 auf die Rohrwand 2 (gemäß der Darstellung in 3) oberhalb des zweiten Koppelelements 22 zu und bewirken in Verbindung mit einer erneuten Moden-Konversion Oberflächenwellen in dem zweiten Koppelelement 22, die mittels des zweiten Sensorelements 21 erfasst werden.
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In Verbindung mit dieser Erfassung kann eine Laufzeit der Ultraschallsignale W1 entlang der zweiten Linie L2 in Strömungsrichtung des Mediums 3 bestimmt werden. Es ist dies der Mess- oder Erfassungsvorgang in Strömungsrichtung.
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In gleicher Weise kann entsprechend einer Funktion der zweiten Erfassungseinheit 20 nach Ansteuerung des zweiten Sensorelements 21 das zweite Koppelelement 22 in Schwingungen versetzt werden, so dass Oberflächenwellen in dem zweiten Koppelelement 22 ausgebildet werden, die ebenfalls als Ultraschallsignale (Wellenfronten) W2 entsprechend dem vorbestimmten Winkel oder Moden-Winkel Θ in das Medium 3 übergehen und somit eine Ausbreitungsrichtung einerseits entgegen der Strömungsrichtung des Mediums 3 und andererseits ebenfalls entlang der zweiten Linie L2 aufweisen. Die bei der ersten Erfassungseinheit 10 auftreffenden Ultraschallsignale W2 der zweiten Erfassungseinheit 20 werden über das erste Koppelelement 12 in Verbindung mit erneuten Oberflächenwellen in dem ersten Koppelelement 12 mittels des ersten Sensorelements 11 erfasst, so dass auf diese Weise eine Messung entgegen der Strömungsrichtung des Mediums 3 erfolgt.
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Zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale (Wellenfronten) W1 und W2 können die ermittelten Einzelwerte der Messungen in Strömungsrichtung und in entgegengesetzter Richtung ausgewertet werden. Die aus dieser Ermittlung hervorgehende Laufzeitdifferenz stellt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 dar. Zur Verbesserung der Genauigkeit können weitere Parameter wie beispielsweise eine Temperatur des Mediums erfasst und bekannte grundlegende Eigenschaften des Mediums 3 in die Auswertung einbezogen werden.
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Mit der speziellen geometrischen Anordnung des Rohrs 1 (oder auch eines entsprechenden Schlauchs) gemäß der Darstellung in den 2 und 3 mit den beiden Biegebereichen B1 und B2, die im Wesentlichen zu einer S-förmigen punktsymmetrischen Anordnung des Rohrs 1 führen, bezogen auf die Mitte des zweiten Rohrabschnitts R2 und die zweite Linie L2, ergibt sich eine Ausrichtung des geraden zweiten Rohrabschnitts R2 relativ zu der ersten und dritten Linie L1 und L3 im Wesentlichen (bis auf unvermeidbare Toleranzen) in dem vorbestimmten Winkel Θ oder Moden-Winkel, so dass die von der ersten und zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 jeweils ausgesendeten Wellenfronten W1 und W2 der Ultraschallsignale mit dem vorbestimmten Winkel in das Medium 3 eingebracht werden und somit entlang der zweiten Linie L2 des zweiten Rohrabschnitts R2 zum jeweils gegenüberliegenden Biegebereich B1 oder B2 verlaufen. Die Ausbildung der Biegebereiche B1 und B2 bewirkt, dass der zweite Rohrabschnitt R2 (die zweite Linie L2) relativ zu dem ersten und dritten Rohrabschnitt R1 und R3 (erste und dritte Linie L1 und L3) entsprechend dem vorbestimmten Winkel Θ ausgerichtet ist, so dass sich die mit dem vorbestimmten Winkel Θ in das Medium 3 eingebrachten Ultraschallsignale W1 und W2 entlang der Längsachse des dritten Rohrabschnitts R3 ausbreiten und somit entlang der zweiten Linie L2 verlaufen, so dass hierdurch ein annähernd störungsfreier Durchlauf dieser Strecke innerhalb des Mediums 3 ermöglicht wird, ohne dass nennenswerte störende Reflexionen oder Verfälschungen auftreten.
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Mit dem Verlauf (der Ausbreitungsrichtung) der Ultraschallsignale W1 und W2 der ersten und zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 wird somit innerhalb des Mediums 3 eine lange Laufstrecke gebildet, so dass die Messgenauigkeit auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums 3 und damit kleinen Laufzeitunterschieden der jeweiligen Ultraschallsignale W1 und W2 eine genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet ist. Ferner durchlaufen die jeweiligen Ultraschallsignale oder Wellenfronten W1 und W2 der beiden Erfassungseinheiten 10 und 20 das Medium 3 annähernd genau in Strömungsrichtung oder entgegengesetzt zur Strömungsrichtung, so dass auch hier eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht werden kann.
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Anders als beim klassischen bekannten Verfahren, bei dem über die spezielle (und in 5 dargestellte) Anordnung der Koppelelemente in Form von Keilen die Laufstrecke von Ultraschallsignalen durch das Medium (ohne Moden-Konversion) erhöht und damit in gewissem Umfang die Empfindlichkeit verbessert werden kann, ist die Länge der Laufstrecke der jeweiligen Ultraschallsignale gemäß der vorliegenden Erfindung mit der primären Anregung von Oberflächenwellen in dem ersten und zweiten Koppelelement 12 und 22 und in Verbindung mit der Moden-Konversion und dem vorbestimmten Winkel Θ erheblich größer. Es wird hierbei eine deutliche und auf einfache Weise erreichbare Verlängerung der Laufstrecke der Ultraschallsignale W1 und W2 durch das Medium 3 ermöglicht. Ein weiterer Vorteil tritt in der Weise auf, dass im Vergleich zu der bekannten Anwendung der Ultraschallsignale in Verbindung mit den keilförmigen Koppelelementen (5 und 6) die bei der Moden-Konversion in das Medium eintretenden Schallwellen (Ultraschallsignale bzw. Wellenfronten W1 und W2 gemäß 3) in sehr gerichteter Weise und in nur geringem Maße divergent verlaufen bzw. sich in dem Medium 3 ausbreiten, so dass dies ebenfalls die Empfindlichkeit oder Messgenauigkeit positiv beeinflusst.
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Die beiden Sensorelemente 11 und 21 können beispielsweise so genannte Ein-Phasen-Wandler (SPT, englisch: Single Phase Transducer) sein, wobei des Weiteren zur Bereitstellung einer verbesserten Ankopplung der beiden Koppelelemente 12 und 22 an die jeweilige Rohrwand 2 zur verbesserten Übertragung der Oberflächenwellen in das Medium 3 und von diesem in den betreffenden Teil der Rohrwand 2 eine entsprechende Koppelpaste oder ein Ultraschallgel verwendet werden kann. Ebenso kann zusätzlich zur Koppelpaste oder einem Gel die Rohrwand 2 im Bereich der Anordnung des ersten und zweiten Koppelelements 12 und 22 an dem ersten und dritten Rohrabschnitt R1 und R3 jeweils benachbart zu dem betreffenden Biegebereich B1 und B2 eine leichte Abflachung aufweisen, so dass das erste und zweite Koppelelement 12 und 22 mit einer größeren Fläche an der Rohrwand 2 anliegt und die Oberflächenwellen zu und von dem Koppelelement 12 und 22 günstig übertragen werden können.
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Während der Erfassung dient eines der beiden Sensorelemente 11 und 21 als Sender und das jeweils andere der Sensorelemente 11 und 21 als Empfänger. Die beiden Sensorelemente 11 und 21 (Wandler) können gleichzeitig mit unterschiedlichen Frequenzen oder zu unterschiedlichen Zeiten (beispielsweise intermittierend) betrieben werden. Die beiden Sensorelemente 11 und 21 können unterschiedlich ausgeführt sein, vorzugsweise sind sie jedoch identisch oder gleichartig ausgeführt. In Verbindung mit der in 1 mit weiteren Einzelheiten gezeigten schematischen Ausführung der Erfassungseinheiten 10 und 20 können diese kompakt ausgeführt werden, da auf entsprechende keilförmige Koppelelemente verzichtet werden kann. Es wird auf diese Weise lediglich ein geringer Einbauraum benötigt. Ferner können die einzelnen Erfassungseinheiten 10 und 20 auf einfache Weise und mit einem geringen Aufwand nach einer entsprechenden Ausformung des Rohrs 1 gemäß den 2 und 3 an den Positionen benachbart zu dem jeweiligen Biegebereich B1 und B2 von außen am Rohr 1 angeordnet werden, so dass eine einfache Montage gewährleistet ist.
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Mit der jeweiligen Anordnung der Erfassungseinheiten 10 und 20 in dem entsprechenden ersten und dritten Rohrabschnitt R1 und R3 unmittelbar vor dem jeweiligen Biegebereich B1 und B2 wird eine einfache Montage unterstützt, wobei zur Verbesserung das vorstehend genannte Ultraschallgel oder eine sonstige Koppelpaste verwendet werden kann. Insgesamt ergibt sich mit dieser Anordnung eine deutlich verbesserte Messgenauigkeit und Empfindlichkeit, speziell bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu der bekannten Anwendung von Ultraschallsignalen, bei denen die Einkopplung der Ultraschallsignale ohne Moden-Konversion in das Medium 3 mittels keilförmiger Koppelelemente erfolgt (5) und wobei Wellenfronten, die sich in dem Medium 3 ausbreiten, eine deutlich größere Divergenz aufweisen, so dass ein erhöhter Störeinfluss auf die jeweilige Messung wahrscheinlich ist. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können demgegenüber jedoch Mehrfachreflexionen an den Rohrwänden vermieden oder erheblich vermindert werden, so dass die Auswertung vereinfacht wird.
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Mit der Modenkonversion kann auch eine Filterwirkung erzielt werden. Wird bezüglich der Anregungsfrequenzen der Erfassungseinheit 10 von einem schmalen Frequenzbereich ausgegangen, dann entstehen bei dem bestimmten Frequenzbereich der Anregungsfrequenzen im ersten Koppelelement 12 mehrere Moden in ungefährer Ausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale oder Wellenfronten (z. B. W1 in 3) mit geringfügig unterschiedlichen Modenwinkeln und damit einer geringfügigen Streuung. Wird ein entsprechender Modenwinkel bestimmt, der mit dem bestimmten Frequenzbereich möglich ist bzw. dessen zugehörige Anregungsfrequenz in dem bestimmten Frequenzbereich liegt, dann kann eine Mode mit einer bestimmten Ausbreitungsrichtung selektiert werden, indem das zweite Koppelelement 22 bzw. die zweite Erfassungseinheit 20 an der betreffenden Position angeordnet ist, wie sie in 3 gezeigt ist. Es werden auf diese Weise weitere Wellenfronten mit anderen Modenwinkeln (und damit auch anderen Anregungsfrequenzen innerhalb des bestimmten Frequenzbereichs) ausgefiltert. Es kann somit bei der Erfassung der Signale mit dem gewünschten Modenwinkel durch das Filtern (in Verbindung mit der geometrischen Anordnung gemäß beispielsweise 3) der unerwünschten Wellenfronten die Filterwirkung und damit eine höhere Auflösung bei der Messung erzielt werden. Im Einzelnen wird eine genauere Laufzeitmessung der ausgewählten Ultraschallsignale bzw. Wellenfronten erhalten, wobei auch die Auswertung verbessert werden kann.
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Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Durchflussmessung auf der Basis von Oberflächenwellen in Verbindung mit einer Moden-Konversion kann somit auf einfache Weise eine Verbesserung der Messgenauigkeit der Durchflussmessung, insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des zu erfassenden Mediums 3 erreicht werden. Die Vorrichtung, die die erste und zweite Erfassungseinrichtung 10 und 20 umfasst, ist dabei auf einfache Weise und mittels eines geringen Montageaufwands an dem Rohr 1 mit einer individuellen vorbestimmten (und entsprechend weiterer Kriterien günstigen) Position jeder Erfassungseinheit 10 oder 20 anbringbar. Mit dem Durchlaufen des Mediums 3 durch die Ultraschallsignale W1 und W2 in dem im Wesentlichen geraden Teil des Rohrs 1 und speziell im zweiten Anschnitt R2 (entlang der bzw. parallel zur zweiten Linie L2) liegt nach dem Austreten des strömenden Mediums 3 aus dem ersten Biegebereich B1 in dem nachfolgenden Bereich des zweiten Abschnitts L2 eine gleichmäßige Strömungsverteilung im Rohrquerschnitt vor, so dass die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit hauptsächlich in diesem Bereich hierzu eine verlässliche und den realen Bedingungen entsprechende Information liefert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft das System zur Durchflussmessung, wobei das System die Vorrichtung einschließlich der Erfassungseinheiten 10 und 20 sowie das Rohr R mit dem ersten bis dritten Rohrabschnitt R1 bis R3 umfasst. Das zum System gehörende Rohr ist in der in den 2 und 3 gezeigten vorbestimmten Weise geometrisch geformt, wobei die erste und zweite Erfassungseinheit 10 und 20 und speziell das jeweilige erste und zweite Koppelelement 12 und 22 (bis auf unvermeidbare Toleranzen) parallel zu der jeweiligen ersten Linie L1 oder dritten Linie L3 des jeweiligen ersten und dritten Rohrabschnitts R1 oder R3 ausgerichtet sind. Der erste und dritte Rohrabschnitt R1 und R3 bilden einen Teil des gesamten Rohrs 1, wobei die Länge des ersten oder dritten Rohrabschnitts R1 oder R3 (die Erstreckungslänge in Richtung der ersten oder dritten Linie L1 oder L3) zumindest etwa der jeweiligen Längsausdehnung des ersten oder zweiten Koppelelements 12 oder 22 in Richtung der jeweiligen ersten Linie L1 oder dritten Linie L3 entspricht.
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Die Ausformung des Rohrs 1 und somit die relative Lage des ersten, zweiten und dritten Rohrabschnitts R1 bis R3 zueinander entsprechend der Raumlage der zweiten Linie L2 relativ zur ersten und dritten Linie L1 und L3 umfasst den vorbestimmten Winkel Θ (Moden-Winkel, Lamb-Winkel), so dass die durch die jeweiligen Sensorelemente 11 und 21 der Vorrichtung erzeugten und in das Medium 3 eingebrachten Ultraschallsignale (Wellenfronten) W1 und W2 im Wesentlichen linear entlang der zweiten Linie L2 und somit auf einem längeren Weg durch das Medium 3 ohne störende Reflexionen verlaufen. Das Rohr 1 zur Bildung des Systems zur Durchflussmessung umfasst die dargestellten Teile des Rohrs gemäß den 2 und 3, wobei der Verlauf des Rohrs 1 außerhalb der Rohrabschnitte R1 bis R3 für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist. Das Rohr 1 erstreckt sich somit in der Darstellung in den 2 und 3 nach links und rechts weiter in Abhängigkeit von ergänzenden Bedingungen, wie beispielsweise entsprechend spezieller Anwendungen.
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Bei dem System zur Durchflussmessung kann das Rohr 1 oder kann ein elastisches Rohr oder ein Schlauch im Bereich der Anordnung der jeweiligen Sensoreinheit 10 und 20 zur verbesserten Auflage des entsprechenden ersten oder zweiten Koppelelements 12 oder 22 ein geringfügiges Abplatten der sonstigen Querschnittsform des Rohrs 1 oder eines Schlauchs vorgesehen sein. Dies kann ergänzend oder alternativ zur Verwendung eines Ultraschallgels oder einer Koppelpaste vorgesehen sein. Die Abplattung der nicht zwingenden aber vorzugsweise kreisförmigen Querschnittsfläche des Rohrs 1 oder Schlauchs in den Biegebereichen B1 und B2 sowie in den Abschnitten R1 bis R3 bewirkt allenfalls eine geringe unwesentliche Verringerung der Querschnittsfläche, die der Strömung des Mediums 3 zur Verfügung steht.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung zur Durchflussmessung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ein Gehäuse 30, das ein erstes Gehäuseteil 31 und ein zweites Gehäuseteil 32 umfasst. Das zweite Gehäuseteil 32 ist in 4 lediglich zur Vereinfachung der Darstellung gestrichelt gezeichnet und dargestellt in einer Position, bei der das zweite Gehäuseteil 32 auf dem ersten Gehäuseteil 31 aufgesetzt ist zur Bildung des Gehäuses 30. Es können in beiden Gehäuseteilen 31 und 32 entsprechende Befestigungs- oder Ausrichtelemente 33 vorgesehen sein, mittels denen beide Gehäuseteile 31 und 32 präzise und nicht verschiebbar aufeinandergesetzt werden können. Jeweilige innere Oberflächen liegen im zusammengesetzten Zustand einander mit Berührung gegenüber. Das gesamte Gehäuse 30 umfasst zumindest die beiden vorstehend genannten Gehäuseteile 31 und 32.
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Jedes Gehäuseteil 31 und 32 weist an der jeweils innen gelegenen bzw. inneren Oberfläche eine rillenförmige Vertiefung 34 auf, die in ihrer Form dem Verlauf des in den 2 und 3 gezeigten Verlaufs des Rohrs 1 entspricht. Die Anordnung der rillenförmigen Vertiefung 34 in den beiden Gehäuseteilen 31 und 32 ist jeweils spiegelsymmetrisch ausgeführt, so dass die rillenförmigen Vertiefungen 34 in den Gehäuseteilen 31 und 32 nach dem Zusammensetzen der Gehäuseteile 31 und 32 übereinander liegen (4).
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Wird beispielsweise in die rillenförmige Vertiefung 34 ein flexibles Rohr oder ein Schlauch eingesetzt, dann ergibt sich nach dem vollständigen Einsetzen des flexiblen Rohrs oder Schlauchs in die eine der rillenförmige Vertiefungen 34 in einem der Gehäuseteile 31 oder 32 die gewünschte geometrische Anordnung des eingesetzten elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 entsprechend der Darstellung in den 2 und 3 mit jeweiligen Abschnitten entsprechend den Rohrabschnitten R1 bis R3 und den Biegebereichen B1 und B2 gemäß 2. Das elastische Rohr oder der Schlauch werden etwa bis zum halben Durchmesser in die rillenförmige Vertiefung 34 eingesetzt, wobei die rillenförmige Vertriefung etwa dem halben Außendurchmesser des elastischen Rohrs oder Schlauchs entspricht. Jede der rillenförmigen Vertiefungen 34 ist hinsichtlich der Rillentiefe und Rillenbreite entsprechend dem elastischen Rohr oder Schlauch 1 dimensioniert, nimmt somit eine betreffende Hälfte des elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 auf und wird damit vollständig ausgefüllt, so dass vorzugsweise ein annähernd spielfreier Sitz des elastischen Rohrs oder des Schlauchs 1 in den rillenförmigen Vertiefungen 34 erreicht wird. Wird das jeweils andere Gehäuseteil 31 oder 32 zur Bildung des Gehäuses 30 auf das Gehäuseteil 31 oder 32 mit dem eingelegten elastischen Rohr oder Schlauch aufgesetzt, dann ist das elastische Rohr oder der Schlauch nicht verschiebbar in dem Gehäuse 30 in der vorbestimmten geometrischen Lage festgehalten. Weitere Einrichtungen zum Festhalten des elastischen Rohrs oder Schlauchs sind nicht erforderlich.
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4 zeigt des Weiteren die Anordnung der ersten Erfassungseinheit 10, die im Bereich des ersten Rohrabschnitts R1 vorgesehen ist. Die erste Erfassungseinheit 10 ist vorzugsweise in Form eines Moduls derart in das erste Gehäuseteil 31 eingesetzt, dass die erste Erfassungseinheit 10 im Bereich des ersten Rohrabschnitts R1 angeordnet ist und das elastische Rohr oder den Schlauch nach Einlegen in die rillenförmige Vertiefung 34 berührt. In gleicher Weise ist in dem zweiten Gehäuseteil 32 die zweite Erfassungseinheit 20 eingesetzt, so dass nach Einlegen des elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 in die rillenförmige Vertiefung 34 und Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile 31 und 32 zur Bildung des Gehäuses 30 die zweite Erfassungseinheit 20 das elastische Rohr oder den Schlauch in einem Bereich entsprechend dem dritten Rohrabschnitt R3 berührt. Die jeweilige erste und zweite Erfassungseinheit 10 und 20 liegen somit an dem eingesetzten elastischen Rohr oder Schlauch 1 derart an, so dass eine akustische Kopplung mit dem in dem elastischen Rohr oder Schlauch 1 strömenden Medium 3 besteht und Ultraschallsignale in gleicher Weise entsprechend der Darstellung in den 1 und 3 in das in dem elastischen Rohr oder Schlauch 1 strömende Medium 3 eingebracht werden können.
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Die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die gleiche wie diejenige des ersten Ausführungsbeispiels, wobei infolge der Ausbildung der rillenförmigen Vertiefung 34 jeweils zur Hälfte in dem ersten und zweiten Gehäuseteil 31 und 32 die geometrische Anordnung des elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 durch das Gehäuse 30 eindeutig unverrückbar vorgegeben ist und sich somit selbsttätig ergibt.
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Entsprechend der Anordnung gemäß den 2 und 3 weist die rillenförmige Vertiefung 34 in den beiden Gehäuseteilen 31 und 32 eine derartige Anordnung auf, dass relativ zu dem Bereich des elastischen Rohrs oder Schlauchs benachbart zu der ersten oder zweiten Erfassungseinheit 10 oder 20 (entsprechend der ersten oder zweiten Linie L1 und L2) ein mittlerer Bereich der rillenförmigen Vertiefung 34 den betreffenden vorbestimmten Winkel Θ (Moden-Winkel, Lamb-Winkel; entsprechend der zweiten Linie L2) aufweist und somit gleichartige Verhältnisse gebildet werden entsprechend der Darstellung in den 2 und 3.
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Nach dem Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile 31 und 32 zu dem Gehäuse 30 kann die gleiche Funktion zur Durchflussmessung wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels gebildet werden, wobei mittels der ersten und zweiten Erfassungseinheit 10 und 20, die in der jeweiligen individuellen Position an dem elastischen Rohr oder Schlauch anliegen, jeweils Ultraschallsignale in das in dem elastischen Rohr oder Schlauch strömende Medium 3 eingebracht werden, und in den mittleren geraden Bereich des eingelegten elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 in der rillenförmige Vertiefung 34 beider Gehäuseteile 31 und 32 die eingekoppelten Ultraschallsignale (Wellenfronten) W1 und W2 entlang der Längsausdehnung dieses mittleren Bereichs in Form des zweiten Abschnitts R2 (entsprechend der zweiten Linie L2) laufen und somit eine genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 in dem elastischen Rohr oder Schlauch 1 mit dem Oberflächenwellen-basierten Verfahren möglich ist.
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Mit der Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 4 kann auf einfache Weise mittels eines modulartigen Aufbaus mit unkomplizierter Montage an einem elastischen Rohr oder an einem Schlauch eine Messung durchgeführt werden, indem diese in der erforderlichen geometrischen Lage gehalten werden, wobei die Vorteile der Anordnung des elastischen Rohrs oder Schlauchs mit den beiden Biegebereichen B1 und B2 in der exakten Festlegung des vorbestimmten Winkels Θ relativ zur Anordnung der beiden Erfassungseinheiten 10 und 20 liegt, die auf einfache Weise mit dem zumindest zweiteiligen Gehäuse 30 erreicht werden kann. Eine Ausbildung der Vorrichtung V mit dem Gehäuse 30 ist somit auf einfache Weise möglich und kann in jedem entsprechend biegbaren Bereich des elastischen Rohrs oder Schlauchs 1 angeordnet und damit auch einfach versetzt werden. Die beiden Gehäuseteile 31 und 32 können dabei entsprechende elektrische Anschlüsse zur Ansteuerung aufweisen, wobei auch elektronische Bauelemente zur Auswertung oder Aufbereitung von Erfassungssignalen innerhalb der Gehäuseteile 31 und 32 vorgesehen sein können.
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In der Darstellung gemäß 4 ist jeweils eine der Erfassungseinheiten 10 und 20 in einem der Gehäuseteile 31 und 32 angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht festgelegt, vielmehr könne die erste und zweite Erfassungseinrichtung 10 und 20 auch in demselben Gehäuseteil 31 oder 32 angeordnet sein. In jedem Fall sind die erste und zweite Erfassungseinrichtung 10 und 20 derart angeordnet, dass sie das elastische Rohr oder den Schlauch 1 nach dem Zusammensetzen der Gehäuseteile 31 und 32 berühren und somit ein akustische Kopplung zur Übertragung der Ultraschallsignale W1 und W2 in das Medium 3 besteht.
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Ferner kann zwischen der jeweiligen Erfassungseinheit 10 und 20 und dem benachbarten Bereich des elastischen Rohrs oder Schlauchs, an dem die Erfassungseinheiten 10 und 20 anliegen, eine Koppelpaste oder ein Ultraschallgel verwendet werden.
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Im Einzelnen sind die Dimensionen der rillenförmigen Vertiefung zur jeweiligen Aufnahme etwa der Hälfte des elastischen Rohrs oder Schlauchs an die Dimensionen des elastischen Rohrs oder Schlauchs angepasst, so dass das elastische Rohr oder der Schlauch vollständig in der rillenförmigen Vertiefung 34 angeordnet sind und damit gehindert sind, auch kleine Bewegungen auszuführen. Es wird damit eine präzise Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 in dem elastischen Rohr oder Schlauch gewährleistet, wobei die Montage lediglich einfache Maßnahmen erfordert und die Auswertung der jeweiligen Auswertung des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Die physikalischen Verhältnisse der Moden-Konversion und der Einkopplung der Ultraschallsignale (Wellenfronten) W1 und W2 in das Medium 3 sind die gleichen wie diejenigen, wie sie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Die Anordnung gemäß 1 und die physikalischen Effekte sind die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Das Gehäuse 30 bzw. die Gehäuseteile 31 und 32 können aus einem metallenen Werkstoff bestehen, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium. Es ist ferner möglich, die Gehäuseteile 31 und 32 aus einem festen Kunststoffmaterial zu bilden, so dass in jedem Fall das eingesetzte elastische Rohr oder der Schlauch eine exakte Positionierung innerhalb des Gehäuses 30 aufweist und somit gewährleistet ist, dass der gerade Teil zwischen den Biegebereichen B1 und B2, der gemäß 2 dem zweiten Rohrabschnitt R2 entspricht, in seiner Erstreckungsrichtung (zweite Linie L2) exakt im vorbestimmten Winkel Θ (Moden-Winkel) relativ zu den geraden Teilen vor und nach dem jeweiligen Biegebereich B1 und B2, an denen die erste und zweite Erfassungseinheit 10 und 20 angeordnet ist (entsprechend der ersten und dritten Linie L1 und L3) ausgerichtet ist. Mit der exakten Ausrichtung wird eine umfassende Nutzung der längeren Laufzeit der Ultraschallsignale W1 und W2 innerhalb des Mediums 3 ermöglicht, so dass eine sichere Verbesserung der Messgenauigkeit, insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums 3 auf einfache Weise gewährleistet ist. Die rillenförmigen Vertiefungen 34 in den Gehäuseteilen 31 und 32 können für unterschiedliche Durchmesser des elastischen Rohrs oder Schlauchs ausgelegt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die in der Zeichnung gezeigten Anordnungen und Proportionen sind nicht einschränkend auszulegen, da die Darstellungen überwiegend vereinfacht und schematisch sind. Die vorliegende Erfindung erfasst Alternativen und gleichartige Ausführungsformen, die unter die beigefügten Ansprüche fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2604982 A1 [0008, 0011]