DE10047383C1 - Ultraschall-Durchflussmesser - Google Patents

Abstract

Um einen einfach herstellbaren Ultraschall-Durchflussmesser (1) bereitzustellen ist vorgesehen, dass im Inneren eines Messrohres (3) angeordnete Umlenkspiegel (20A, 20B) Haltebügel (28A, 28B) aufweisen. Die Umlenkspiegel (20A, 20B) werden an ihren Haltebügeln (28A, 28B) durch Einbringung eines Ultraschallkopfes (12A, 12B) in zugehörige Flansche (10A, 10B) zwischen Flansch und Ultraschallkopf fest fixiert. Bevorzugt sind die Umlenkspiegel (20A, 20B) als einstückige Metallstanzteile ausgeführt, so dass der Durchflussmesser (1) innenseitig als Ganzmetallausführung ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflussmesser ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Aufsatz "Ultrasonic flowmeters", Trans. Inst. M. C. Vol. 4, No. 1 Jan-Mar 1982, S. 2 bis 24, sind Ultraschall- Durchflussmesser verschiedenster Art bekannt, insbesondere auch solche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In Fig. 14E auf Seite 10 ist eine Anordnung gezeigt, bei der längs eines Messrohres zwei zueinander beabstandete Flansche vorgesehen sind. In die Flansche sind schematisch gezeigte Umlenkspiegel eingeführt, die endseitig jeweils einen Ultraschallkopf (auch als Ultraschall-Wandler bezeichnet) tragen. Die Umlenkspiegel sind offenbar rohrartig ausgebildet, wobei sie flanschseitig einen Verschlussrand aufweisen, der den jeweiligen Flansch abdichtet.

Aus der EP 0 897 101 A1 ist ein Ultraschall-Durchflussmesser bekannt, bei dem die den jeweiligen Ultraschall-Wandlern ge­ genüber liegenden Umlenkspiegel an der jeweils gegenüber lie­ genden Gehäusewand des Messrohres gehaltert oder abgestützt sind. Dies ist eine aufwendige Konstruktion, da das Messrohr beidseitig bearbeitet werden muss. Außerdem ergibt sich da­ durch eine strömungstechnisch ungünstige Formgebung innerhalb des Rohres.

Aus der US 4,610,167 sind Anordnungen bekannt, bei der die Umlenkspiegel ebenfalls an der den Ultraschallköpfen zuge­ wandten Messrohrwänden angeordnet sind. In Fig. 13 sind sche­ matisch dargestellte Umlenkspiegel gezeigt, die offenbar mit einem Haltebügel innerhalb des Messrohres befestigt sind. Der Ultraschallkopf mit seinem Gehäuse bildet hierzu eine ge­ trennte Baueinheit, die in den Flansch eingelassen ist. Fig. 14 zeigt eine Anordnung, bei der eine rohrartige Ausgestaltung des Umlenkspiegels mit Befestigung zu erkennen ist. In­ wieweit Umlenkspiegel und Ultraschallkopf getrennte oder eine gemeinsame Baueinheit bilden ist nicht dargestellt.

Aus der DE 197 29 473 A1, der DE 44 37 588 A1 und der EP 0 559 938 A1 sind ebenfalls Ultraschall-Durchflussmesser bekannt, bei denen die Umlenkspiegel an einer den Schallköp­ fen gegenüberliegenden Seite der Messrohrwand angeordnet sind.

Aus der DE 94 20 760 U1 ist ein Durchflussmesser bekannt, bei dem der Umlenkspiegel mit einer Halterung direkt im Messkanal befestigt ist und wobei die Halterung sich an beiden Gehäuse­ seiten abstützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- Durchflussmesser anzugeben, bei dem eine einfache Ausgestal­ tung der Umlenkspiegel gegeben ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merk­ malen des Anspruchs 1.

Auf diese Weise ist eine verblüffend einfache Befestigung der Umlenkspiegel und Ausgestaltung des Ultraschall-Durchfluss­ messers gegeben, wobei keine zusätzlichen Befestigungsmittel erforderlich sind. Die jeweiligen Bauteile halten und fixie­ ren sich gegenseitig.

Bevorzugt sind die Umlenkspiegel mit ihren Haltebügeln in ih­ ren jeweiligen Flanschen steckbar gehaltert. Somit ist eine besonders einfache Montage, gegebenenfalls auch eine automa­ tisierte Wurfmontage, möglich.

Bevorzugt sind die Ultraschallköpfe in ihrem jeweiligen Flansch eingeschraubt, wobei die freien Enden der Haltebügel Halteköpfe aufweisen, die im Bereich der jeweiligen Flansche in zugeordneten Kopföffnungen gehaltert sind. Ein Justieren der Spiegel entfällt somit. Auch ist ein Verstellen der Um­ lenkspiegel bei der Montage vermieden. Mit dem Einschrauben der Ultraschallköpfe sind die Umlenkspiegel fest in ihrer Einbauposition fixiert. Alternativ ist auch eine Steckbefes­ tigung oder eine Bajonettverschraubung möglich.

Mit Vorteil sind die Umlenkspiegel mit ihren Haltebügeln je­ weils als einstückige Metallstanzteile ausgebildet. Somit ist eine besonders einfache Herstellung gegeben. Bevorzugt weisen die Umlenkspiegel jeweils zwei sich gegenüber liegende Halte­ bügel auf, die an gegenüberliegenden Seiten eines jeweiligen Spiegelelements angreifen. Somit sind die Umlenkspiegel beid­ seitig sicher und stabil geführt, so dass im Betrieb kein Verbiegen oder Verstellen möglich ist. Im einfachsten Fall kann auch ein seitlich angreifender Haltebügel ausreichen.

Zusätzlich kann ein Temperatursensor mit einer Verarbeitungs­ einrichtung vorgesehen sein, wobei aus einer erfassten Tempe­ ratur und einer erfassten Durchflussmenge eine Wärmemenge er­ rechnet wird. Somit ist der Ultraschall-Durchflussmesser auch für eine Wärmemengenmessung geeignet.

Mit Vorteil sind Messrohr, Umlenkspiegel und die dem Medium zugewendeten Flächen der Ultraschallköpfe aus Metall gefer­ tigt. Somit ist eine sogenannte "Einstofflösung" gegeben, so dass eine Korrosion oder sonstige korrosionsfördernde chemi­ sche Effekte vermieden sind. Für die Umlenkspiegel kommt da­ bei bevorzugt eine Metalllegierung umfassend Kupfer und Nic­ kel zum Einsatz. Diese Legierung eignet sich besonders dann, wenn die Umlenkspiegel als Metallstanzteil ausgebildet sind und gebogen werden müssen. Messrohr und die dem Medium zuge­ wendeten Flächen der Ultraschallköpfe, insbesondere deren Ge­ häuse, sind bevorzugt aus einer Messinglegierung gefertigt.

Weiterer Vorteil der "Ganzmetalllösung" ist, dass der Durch­ flussmesser gegenüber einer Metall-Kunststoff-Ausführung für höhere Betriebs- oder Mediumtemperaturen geeignet ist. Auch beim Entsorgen des kompletten Messrohrs ist die Ganzmetall­ ausführung vorteilhaft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ultraschall-Durchflussmesser mit eingesetzten Ultraschallköpfen und Umlenkspiegeln im Längsschnitt,

Fig. 2 den Ultraschall-Durchflussmesser gemäß Fig. 1 ohne Ultraschallköpfe in einer Draufsicht,

Fig. 3 und 4 einen Umlenkspiegel in zwei Ansichten und

Fig. 5 ein Metallstanzteil für einen Umlenkspiegel.

Fig. 1 zeigt einen Ultraschall-Durchflussmesser 1, der z. B. als Wasser- oder Wärmemengenzähler in Haushalten Verwendung findet. Prinzipiell sind auch industrielle Verwendungen, z. B. zur Durchflussmessung von sonstigen flüssigen oder gasförmi­ gen Medien, insbesondere chemische Flüssigkeiten oder Gase, möglich.

Der Ultraschall-Durchflussmesser 1 wird nachfolgend mit Durchflussmesser 1 bezeichnet. Der Durchflussmesser 1 umfasst zunächst ein Messrohr 3, das in eine nicht näher gezeigte Leitung einer Versorgungsanlage, z. B. einer Hauswasserversor­ gung, zwischengeschaltet wird. Er weist dazu endseitige An­ schlussflansche 5 auf, die außenseitig mit Gewinden 6 verse­ hen sind. Das Messrohr 3 weist innenseitig über den Bereich B eine Verengung seines Innenquerschnitts auf. Dieser von dem Medium zu durchströmende Bereich ist als Messstrecke 8 be­ zeichnet.

An den Enden der Messstrecke 8 sind in der nicht näher be­ zeichneten Außenwand des Messrohres 3 zueinander beabstandete Flansche 10A und 10B angeordnet, in denen jeweils ein zugehö­ riger Ultraschallkopf 12A und 12B angeordnet ist. Die Ultra­ schallköpfe 12A und 12B können allgemein nach dem Stand der Technik ausgestaltet sein. Bevorzugt sind die Ultraschallköp­ fe 12A und 12B als sogenannte Topfwandler mit einem Metallge­ häuse, insbesondere aus Messingwerkstoff, ausgeführt. Derar­ tige Ultraschallköpfe (auch Schallsensoren genannt) sind bei­ spielsweise aus der EP 0 679 874 und der EP 0 858 844 A2 be­ kannt.

Die Ultraschallköpfe 12A und 12B sind in ihren jeweiligen Flanschen 10A bzw. 108 bevorzugt mittels Gewinde 22A und 22B eingeschraubt. Zur zusätzlichen Abdichtung gegenüber dem In­ nenraum des Messrohres 1 kann ein Dichtring 24A bzw. 24B vor­ gesehen sein. Die nachfolgenden Ausführungen gelten für beide Ultraschallköpfe mit ihren jeweiligen Flanschen und Umlenk­ spiegeln sinngemäß

Die Flansche 10A und 108 mit den dazugehörigen Ultraschall­ köpfen 12A bzw. 12B sind derart am Messrohr 1 befestigt, dass die Ultraschallköpfe 12A und 12B senkrecht zum durchfließen­ den Medium in das Innere des Messrohres 1 hineinschallen. Selbstverständlich sind die Ultraschallköpfe 12A und 12B über ihre jeweiligen Anschlussfahnen 14A und 14B und Leitungen 15A, 15B mit einer Verarbeitungseinrichtung 16 verbunden. Die Verarbeitungseinrichtung 16 dient dabei - wie allgemein aus dem Stand der Technik bekannt - zum Ansteuern der Ultra­ schallköpfe 12A, 12B und zum Auswerten ihrer Empfangssignale.

Beim Einsatz des Durchflussmessers 1 als Wärmemengenzähler kann zusätzlich auch ein Temperatursensor 18 vorgesehen sein, der ebenfalls mit der Verarbeitungseinrichtung 16 über eine Leitung 15C verbunden ist und mit seinem Fühlerende 19 in das Messrohr 3 und somit in den Mediumstrom hineinragt.

Zur Messung der Durchflussmenge wird, wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, das Ultraschallsignal von einem der Ultraschallköpfe zum anderen und umgekehrt gesendet. Aus dem Laufzeitunterschied der Signale - mit und gegen den Medi­ umstrom - wird in der Verarbeitungseinrichtung 16 die Fließgeschwindigkeit ermittelt. Unter Berücksichtigung des Quer­ schnitts der Messstrecke 8 kann dann rechnerisch die Durch­ flussmenge ermittelt werden.

Um das Ultraschallsignal von den Ultraschallköpfen 12A, 12B längs durch die Messstrecke 8 zu führen, wird es über Umlenk­ spiegel 20A und 20B umgelenkt. Die vorliegende Idee beschäf­ tigt sich im wesentlichen mit der einfachen Ausgestaltung dieser Umlenkspiegel 20A, 20B.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird zunächst ein Umlenkspiegel näher erläutert. Der Umlenkspiegel 20A umfasst im wesentlichen ein mittiges Spiegelelement 26 und sich gegenüberliegende, seit­ lich am Spiegelelement 26 angeordnete Haltebügel 28 auf. Die Haltebügel 28 weisen Jeweils endseitig einen Haltekopf 30 auf, der z. B. Wege zeigt, hammerartig ausgebildet sein kann. Selbstverständlich sind auch andere Formgebungen, z. B. eine runde Kreisform, möglich. In einer vereinfachten Ausführung ist auch eine Variante mit nur einem seitlichen Haltebügel möglich. Das Spiegelelement 26 an sich dient zum Umlenken des Ultraschallsignals.

Bevorzugt ist der Umlenkspiegel 20A als einstückiges Me­ tallstanzteil ausgebildet. Fig. 5 zeigt einen Umlenkspiegel 20A im flachen Urzustand ohne abgewinkelte Haltebügel 2ß als flaches Stanzteil. Wesentlich dabei ist, dass durch das Ab­ winkeln - der Einbaurichtung der Ultraschallköpfe 12A, 12B im Messrohr 1 angepasst - eine präzise Umlenkung des Ultra­ schallsignals erfolgt. Bei der bevorzugten senkrechten Ein­ baurichtung der Ultraschallköpfe 12A, 12B ergibt sich demnach eine Spiegelausrichtung unter einem Winkel von 45° bezogen zur Einschallrichtung oder zur Durchflussrichtung des Medi­ ums.

Bevorzugt kommt als Material für die Umlenkspiegel 20A, 208 eine Metalllegierung umfassend Kupfer und Nickel zur Anwen­ dung. Einerseits muss die Legierung stanz- und biegefähig sein. Anderseits soll die Legierung auch den Anforderungen bezüglich Korrosionsbeständigkeit und Verträglichkeit mit den Materialien des Messrohres 3 und der Ultraschallköpfe 12A, 12B genügen. Für das Material der Gehäuse der Ultraschallköp­ fe 12A, 12B und für das Messrohr 3 kommen bevorzugt Messing­ legierungen zur Anwendung. Weiterhin muss das Material der Spiegelelemente auch eine gewisse Härte aufweisen, so dass eine gute Schallumlenkung stattfindet.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass ein der­ artiger Umlenkspiegel 10A, 20B im Bereich der Halteköpfe 30 angeformte Elemente, z. B. Kunststofffüße aufweist, so dass eine günstige Befestigung gegeben ist.

Ein wesentlicher Punkt oder Gedanke des vorliegenden Umlenk­ spiegels ist, dass dieser auf einfache Weise im Messrohr mit Hilfe des zugeordneten Ultraschallkopfes befestigt werden kann. Die Fig. 2 zeigt das Messrohr 3 in einer Draufsicht, wo­ bei lediglich der Flansch 10B mit seinem Umlenkspiegel 20B versehen ist. Ergänzend hierzu ist in Fig. 1 der Umlenkspiegel 20B im Längsschnitt gezeigt. Der Schallkopf 12B ist dabei im Bereich des Haltekopfes 30B aufgerissen dargestellt.

Am Flansch 10A ist in Fig. 2 zu erkennen, dass innenseitig zur Aufnahme der Haltebügel der jeweiligen Umlenkspiegel erste Ausnehmungen 32A und zweite Ausnehmungen 32B vorgesehen sind. Diese Ausnehmungen sind entsprechend der Formgebung der Hal­ tebügel 28 ausgestaltet, wobei eine formschlüssige Einpassung des Haltekopfes 30 in der ersten Ausnehmung 32A gegeben sein soll. Die Anordnung der Ausnehmungen, die im übrigen als Boh­ rungen oder Ausfräsungen im Material des Messrohres 3 ausge­ führt werden können, sind derart, dass die Umlenkspiegel 20A, 20B einfach von außen eingelegt werden können, wobei sie au­ tomatisch durch die Führung an den Ausnehmungen 32A, 32B in einer vorgegebenen Position ausgerichtet werden.

Diese Position ist in der Darstellung am Flansch 12B von Fig. 1 und 2 gut zu erkennen. Der Umlenkspiegel 20B liegt mit sei­ nem Haltebügel 28B und dem endseitigen Haltekopf 30B form­ schlüssig in den Ausnehmungen 32B und 33B. Zur endgültigen Fixierung des Haltebügels 28B dient auf einfache Weise der Ultraschallkopf 12B, der in den Flansch 105 eingeschraubt wird. Der Ultraschallkopf 12B drückt dabei mit seiner Stirn­ kante 34B auf den Haltekopf 30B des Umlenkspiegels 20B und fixiert diesen somit fest in den zugeordneten Ausnehmungen 32B und 33B. Gegebenenfalls kann je nach Art der Fixierung auch eine Verquetschung des Haltekopfes 30B erfolgen, wobei hierbei keine Verstellung des Spiegelelements 26B erfolgen darf.

Selbstverständlich kann auch eine alternative Befestigung der Ultraschallköpfe 12A, 12B, z. B. durch ein Bajonettverschluss oder eine Verklebung, vorgesehen sein. Wesentlich für den vorliegenden Gedanken ist, dass mit möglichst einer Ganzme­ tallausführung im Mediumbereich eine einfache Herstellbarkeit des Durchflussmessers oder -zählers gegeben ist. Die Montage umfasst hier im wesentlichen nur die Schritte a) Einlegen des Umlenkspiegels und b) Fixieren des Umlenkspiegels durch Mon­ tage des Ultraschallkopfes. Zusätzliche Befestigungsmöglich­ keiten oder gesonderte Haltemittel für die Umlenkspiegel sind somit nicht nötig und vermieden. Die Mechanik des Durchfluss­ messers 1 ist somit auf ein Minimum reduziert.

Claims (9)

1. Ultraschall-Durchflussmesser (1) mit
einem Messrohr (3), durch welches ein Medium durchführbar ist und an welchem längs zueinander beabstandete Ultra­ schallköpfe (12A, 12B) an Flanschen (10A, 10B) angeordnet sind,
wobei zur Führung eines Ultraschallsignals von einem Ult­ raschallkopf (12A, 12B) zum anderen jeweils ein Umlenkspie­ gel (20A, 20B) im Bereich der jeweiligen Ultraschallköpfe (12A, 12B) innerhalb des Messrohrs (3) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Um­ lenkspiegel (20A, 20B) jeweils zumindest einen angeformten Haltebügel (28A, 28B) aufweisen, wobei das jeweils freie Ende eines jeden Haltebügels (28A, 28B) vom jeweiligen Ultraschall­ kopf (12A, 12B) im oder am Flansch (10A, 10B) fixiert ist.

2. Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Umlenk­ spiegel (20A, 20B) mit ihren Haltebügeln (28A, 28B) in ihren jeweiligen Flanschen (10A, 10B) steckbar gehaltert sind.

3. Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultraschallköpfe (12A, 12B) in ihrem jeweiligen Flansch (10A, 10B) eingeschraubt sind, und die freien Enden der Halte­ bügel (28A, 28B) Halteköpfe (30A, 30B) aufweisen, die im Be­ reich der jeweiligen Flansche (10A, 10B) in zugeordneten ers­ ten Ausnehmungen (32A, 32B) gehaltert sind.

4. Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umlenkspiegel (20A, 20B) mit ihren Haltebü­ geln (28A, 28B) jeweils als einstückige Metallstanzteile aus­ gebildet sind.

5. Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Umlenkspiegel (20A, 20B) jeweils ein Spiegel­ element (26A, 26B) und jeweils zwei sich gegenüberliegende Haltebügel (28A, 28B) aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten eines jeweiligen Spiegelelements (26A, 26B) angreifen.

6. Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Temperatursensor (18) und eine Verarbei­ tungseinrichtung (16) vorgesehen sind, und wobei aus einer erfassten Temperatur und einer erfassten Durchflussmenge eine Wärmemenge errechnet ist.

7. Ultraschall-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Messrohr (3), Umlenkspiegel (20A, 20B) und zumin­ dest die dem Medium zugewendeten Flächen der Ultraschallköpfe (12A, 12B) aus Metall gefertigt sind.

8. Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 7, wobei die Umlenkspiegel (20A, 20B) aus einer Metalllegierung umfassend Kupfer und Nickel sind.

9. Ultraschall-Durchflussmesser nach Anspruch 7 oder 8, wobei Messrohr (3) und die dem Medium zugewendeten Flächen der Ult­ raschallköpfe (12A, 12B) aus einer Messinglegierung gefertigt sind.