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Die
Erfindung betrifft eine Durchfluss-Messeinrichtung für
ein von einem Fluid durchströmtes Rohr, mit einer ausbaubaren
Messstrecke, umfassend ein Messrohr mit Rohrverbindungselementen an
beiden Enden und mit einem auf das Messrohr aufgesetzten und lösbar
befestigten Ultraschallmessgerät, welches Ultraschallmesssignale
erzeugt.
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Derartige
Messeinrichtungen dienen dazu, mittels eines Ultraschallmessgerätes
Durchflussmengen in Rohren zu messen, welche von einem Fluid, insbesondere
einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt werden.
Das Ultraschallmessgerät ist dabei mit einem an sich bekannten
Ultraschallwandler ausgestattet, welcher Signale sowohl aussenden wie
auch empfangen kann.
DE-A-10
2005 035 265 zeigt eine derartige Ultraschallmesseinrichtung
an einer von einem Medium, beispielsweise einem Fluid durchströmten
Rohrleitung. Die Rohrleitung besteht aus einem geraden Messrohr,
welches an beiden Enden Verbindungselemente in der Form von Flanschen
aufweist. Diese Anordnung kann als Messstrecke in ein Rohrsystem
eingebaut und über die Verbindungselemente mit diesem verbunden
werden. Das Messrohr weist zwei Durchbrüche auf, durch
welche der Ultraschallstrahl in das Strömungsmedium eingeleitet
und wieder ausgeleitet wird. Die Befestigung des Ultraschallmessgerätes
am Messrohr erfolgt üblicherweise mit bandförmigen
Spannmittel, z. B. Rohrbriden, welche das Rohr umgreifen und verschiebbar
sind. Die Position des Ultraschallmessgeräts am Messrohr
lässt sich mithilfe dieser Spannmittel nur ungenau bestimmen
und festlegen. Zudem besteht die Gefahr, dass durch ungleiche oder
zu grosse Spannkräfte das Messrohr deformiert wird und
dadurch die Messung gestört wird. Nach dem Zusammenbau des
Ultraschallmessgerätes mit dem Messrohr muss die dadurch
gebildete Messeinrichtung kalibriert und geeicht werden, um korrekte
Messungen zu gewährleisten. Diese Kalibrierung und Eichung
muss nach jeder Entfernung des Ultraschallmessgerätes vom
Messrohr erneut durchgeführt werden, da dabei Veränderungen
der Messanordnung auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
dass die Durchbrüche im Messrohr abgedichtet werden müssen
und beim Entfernen des Ultraschallmessgerätes kein Medium
im Rohr vorhanden sein kann.
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Es
ist auch bekannt, Rohre ohne Durchbrüche zu verwenden und
eine Ultraschallmesseinrichtung einzusetzen, bei welcher ein Strahl
von Ultraschallmesssignalen durch die Rohrwandungen hindurch geführt
und nach dem Reflektionsprinzip an der gegenüberliegenden
Wandung reflektiert wird. Eine derartige Durchfluss-Messeinrichtung
ist aus
US 3 869 915 bekannt.
Auch hier wird das Ultraschallmessgerät in bekannter Weise
mit bandförmigen Spannelementen an die Aussenwandung des Rohrs
gepresst und es treten die oben beschriebenen Nachteile auf.
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Die
vorbekannten und beschriebenen Durchfluss-Messeinrichtungen sind
für eichfähige Messsysteme nur beschränkt
geeignet. Derartige eichfähige Messeinrichtungen sind für
Messsysteme notwendig, welche Zulassungsnormen, bzw. einer Bauartzulassung
entsprechen müssen und auch bei einer Reparatur oder einer
Auswechslung des Ultraschallmessgerätes wieder den genormten
sowie kalibrierten, bzw. geeichten Werten entsprechen müssen.
Bei den bekannten Messeinrichtungen muss bei jeder Reparatur oder
Auswechslung des Ultraschallmessgerätes eine neue genaue
Positionierung der Ultraschallwandler, bzw. des Messgerätes
und eine neue Kalibrierung, bzw. Eichung der Einrichtung erfolgen. Da
die Kalibrierung, bzw. Eichung am Einbauort oft nicht möglich
ist, muss dann die ganze Messeinrichtung mit der Messstrecke und
dem Ultraschallmessgerät ausgebaut und ersetzt werden.
Dies ist sehr aufwendig und teuer.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ultraschall-Durchflussmesseinrichtung
der beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher die gegenseitige
Position des Messrohres und des zugehörigen Ultraschallmessgerätes,
bzw. der Ultraschallwandler genau bestimmt und vorgegeben ist, der Austausch
und/oder die Reparatur des Ultraschallmessgerätes auch
bei eichfähigen Systemen ohne Ausbau des Messrohres möglich
sein sollen und dabei die geeichten Messwerte erhalten bleiben,
eine sichere Zuordnung eines Messrohres mit einem bestimmten Nenndurchmesser
zu einem Ultraschallmessgerät, welches für diesen
Durchmesser bestimmt ist sichergestellt ist und welches die Bauartzulassung
für geprüfte Messsysteme ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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Bei
der erfindungsgemässen Durchfluss-Messeinrichtung sind
am Messrohr an vorbestimmten und festen Positionen erste Verbindungselemente
für das Ultraschallmessgerät angeordnet. Diese
Verbindungselemente sind ein fester Bestandteil des Messrohres.
Am Gehäuse des Ultraschallmessgerätes sind ebenfalls
an vorbestimmten und festen Positionen zwei Verbindungselemente
angeordnet, welche wiederum feste Bestandteile des Gehäuses
sind. Diese ersten und zweiten Verbindungselemente sind aufeinander
abgestimmt und greifen formschlüssig ineinander. Durch
diese Ausgestaltung ist sichergestellt, dass das Ultraschallmessgerät
nur an einer genau bestimmten Position auf das Messrohr aufgesetzt
werden kann und nur auf ein Messrohr, welches passende erste Verbindungselemente aufweist.
Die fest positionierten ersten Verbindungselemente am Messrohr und
die zweiten ebenfalls fest positionierten Verbindungselemente am
Gehäuse des Messgerätes bilden dabei ein mechanisches Identifikationselement
für ein zusammengehörendes Paar von jeweils einem
bestimmten Messrohr und einem bestimmten zugehörigen Messgerät.
Da die beiden Ultraschallwandler des Ultraschallmessgerätes fest
und mit vorbestimmtem Abstand im gemeinsamen Gehäuse angeordnet
sind, bleibt die Position der Ultraschallwandler gegenüber
dem Messrohr auch bei einer Reparatur oder einer Auswechslung des
Ultra schallmessgerätes immer erhalten und die ursprüngliche
Eichung wird nicht verändert. Es ist somit möglich,
die erfindungsgemässe Messeinrichtung im Werk zu kalibrieren
und zu eichen und dieser Vorgang muss nicht mehr an der Einbaustelle
erfolgen und zwar sowohl beim ersten Einbau wie auch bei allfälligen
späteren Auswechslungen des Ultraschallmessgerätes.
Derartige Auswechslungen der Ultraschallmessgeräte werden
beispielsweise von Zulassungsbehörden in bestimmten Zeitabständen
gefordert. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass das
Messrohr einen geschlossenen Mantel ohne Durchbrüche aufweist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung von Ultraschallwandlern,
welche nicht in direktem Kontakt mit dem Medium im Messrohr stehen
müssen.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass
eine Messstrecke mit einem bestimmten Nenndurchmesser und ein auf diesen
Nenndurchmesser abgestimmtes Ultraschallmessgerät je zusammenwirkende
Verbindungselemente aufweisen, welche die Identifikationselemente bilden
und dass diese Verbindungselemente für jede Messstrecke
mit einem bestimmten Nenndurchmesser unterschiedlich ausgebildet
sind. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass nur Messrohre
mit einem bestimmten Nenndurchmesser und Ultraschallmessgeräte,
welche für diesen Nenndurchmesser bestimmt und gemeinsam
mit dem Messrohr geeicht sind, zusammengebaut werden können.
Dieser Vorteil wird insbesondere dadurch erreicht, dass am Messrohr
und am Gehäuse je zwei in Achsrichtung der Messstrecke
voneinander beabstandete Verbindungselemente angeordnet sind und
der Abstand zwischen diesen beiden Verbindungselementen eine Funktion
des Nenndurchmessers der Messstrecke ist und jedem bestimmten Nenndurchmesser ein
bestimmter Abstand zwischen diesen Verbindungselementen zugeordnet
ist.
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Um
das erfindungsgemässe genaue Zusammenpassen von Gehäuse
und Messrohr zu gewährleisten, ist in vorteilhafter Weise
das Gehäuse mit den Ultraschallwandlern und die Messstrecke
mit dem Messrohr mittels der Verbindungselemente form- und/oder
kraftschlüssig miteinander verbunden. Als form- und/oder
kraftschlüssige Verbindungselemente können an
sich bekannte Elemente, wie bei spielsweise Schraubverbindungen,
Bajonettverbindungen oder Ähnliches zur Anwendung gelangen. In
zweckmässiger Ausgestaltung ist am Messrohr eine erste
Auflagefläche und am Gehäuse des Ultraschallmessgerätes
eine zweite Auflagefläche ausgebildet und diese beiden
Auflageflächen wirken zusammen.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass
die Ultraschallwandler je in einer Schutzhülle angeordnet
sind und diese Schutzhüllen mit den Ultraschallwandlern
im Gehäuse etwa rechtwinklig zur Achsrichtung der Messstrecke
verschiebbar sind. Zwischen einem vom Messrohr abgewendeten Gehäuseteil
und den Schutzhüllen mit den Ultraschallwandlern ist ein
Federelement eingebaut. Das Federelement weist eine hohe thermische
und mechanische Stabilität und eine lange Lebensdauer auf.
Das Federelement gewährleistet eine genaue Anpresskraft
der Schutzhüllen mit den Ultraschallwandlern an das Messrohr
und zwar unabhängig von anderen Fertigungstoleranzen des
Gehäuses und anderer Teile. Mittels der genau bestimmbaren
Anpresskraft der Federelemente wird eine ausreichend stabile akustische
Kopplung zwischen den Ultraschallwandern und den Hilfstellen sowie
dem Messrohr erreicht und gewährleistet. Im Weiteren ist
es auch vorteilhaft, wenn die beiden Ultraschallwandler eine Baueinheit
bilden und mit festem, unveränderlichem Abstand zueinander
angeordnet sind. Besonders vorteilhaft sind sie in einer Kunststoffmasse,
welche dann die Schutzhülle bildet, vergossen. Dabei wird
durch an sich bekannte Massnahmen, z. B. mittels eines Luftspaltes,
eine gute akustische Trennung zwischen den beiden Ultraschallwandlern
bewirkt. Diese Anordnungen haben den Vorteil, dass die Kontaktkraft,
mit welcher die Ultraschallwandler, bzw. deren Schutzhüllen,
an die Oberfläche des Messrohres angepresst werden, bereits
im Werk genau eingestellt werden kann und nachher nicht mehr veränderbar
ist. Dies, weil die Ultraschallwandler mit ihren Schutzhüllen
im Gehäuse vor Zugriffen geschützt angeordnet
sind. Die Haltekräfte, welche durch die ersten und zweiten
Verbindungselemente zwischen Gehäuse und Messrohr erzeugt
werden, haben somit keinen störenden Einfluss auf die Anpresskraft
der Ultraschallwandler. Gemäss einer besonderen Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes sind am Gehäuse des Ultraschallmessgerätes
Endanschläge zur Begrenzung der Verschiebung der Schutzhüllen
mit den Ultraschallwandlern im Gehäuse angeordnet. Dabei
sind diese Anschläge so ausgebildet, dass der gewünschte
Bewegungsweg und die notwendige Federwirkung an den Ultraschallwandlern,
bzw. deren Schutzhüllen gewährleistet sind.
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Gemäss
einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist zwischen den Ultraschallwandlern und dem Messrohr ein plattenförmiges
Zwischenelement aus einem elastischen Kunststoff eingelegt. Als
Material für das Zwischenelement wird ein Kunststoff gewählt,
welcher für die Übertragung von Ultraschallwellen
besonders geeignet ist. Besonders geeignete Kunststoffe sind beispielsweise
Silikon- oder Fluor-Elastomere. Diese Materialien sollen eine grosse
Durchlässigkeit für Ultraschall aufweisen.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, dass das Gehäuse als zweite
Verbindungselemente an einer, in Achsrichtung der Messstrecke gesehenen,
Stirnseite mindestens einen vorstehenden Nocken und im Bereich der
gegenüberliegenden Stirnseite einen schwenkbaren Kniehebel
mit einem ausschwenkbaren Nocken aufweist. Dabei sind am Messrohr
als erste Verbindungselemente Gegenstücke mit Öffnungen
zur Aufnahme dieser Nocken angeordnet. Bei zusammengebautem Gehäuse
und Messrohr greifen die Nocken in die Gegenstücke ein
und mittels des Kniehebels wird die Verbindung zwischen Gehäuse
und Messerrohr bewirkt. Damit lässt sich eine besonders
zweckmässige und einfach zu handhabende Lösung
gestalten. Bei geöffnetem Kniehebel können der
oder die Nocken am Gehäuse des Ultraschallmessgerätes
in einfacher Weise in das Gegenstück am Messrohr eingeklinkt
werden und durch Schliessen des schwenkbaren Kniehebels wird eine kraft-
und formschlüssige Verbindung hergestellt. Dabei greift
der ausschwenkbare Nocken am Kniehebel in das entsprechende Verbindungselement
am Messrohr ein. Für geeichte Systeme und Systeme mit einer
Bauartzulassung ist eine Plombierung vorgesehen. Dazu weist ein
Bereich des Kniehebels, welcher das Gehäuse übergreift,
ein Gegenstück zum Anbringen einer Plombe auf und am Gehäuse
ist ein Plombierelement angeordnet, welches mit dem Gegenstück
zusammenwirkt.
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Eine
weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Messrohr als
erste Verbindungselemente, in Achsrichtung der Messstrecke, voneinander
beabstandete Gewindebolzen aufweist, welche etwa rechtwinklig zur
Richtung der Längsachse der Messstrecke angeordnet sind.
Das Gehäuse weist als zweite Verbindungselemente Flansche
mit Durchgangsbohrungen auf, welche mit den Gewindebolzen zusammenwirken.
Gewindemuttern auf den Gewindebolzen verbinden diese Flansche des
Gehäuses mit dem Messrohr. Diese Ausgestaltung ist insbesondere
dort vorteilhaft, wo am Ultraschallmessgerät keine beweglichen
Teile gewünscht werden. Sie kann überall dort
eingesetzt werden, wo die Zugänglichkeit zu den Schraubverbindungen
gewährleistet ist. In vorteilhafter Ausbildung sind auch
hier für geeichte Systeme und Systeme mit einer Bauartzulassung
am Messrohr und am Gehäuse zusammenwirkende Bauelemente
angeordnet und diese Bauelemente sind durch eine Plombe miteinander
verbunden und gesichert.
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Eine
zweckmässige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sieht
vor, dass der Innendurchmesser des Rohres, welches sich durch die Messstrecke
erstreckt, unterschiedliche Durchmesser aufweist. Dabei ist an der
Eintrittsseite des Fluides in das Rohr ein erster Bereich mit dem
Nenndurchmesser ausgebildet. Daran anschliessend ist ein zweiter
Bereich angeordnet, welcher auf einen kleineren Durchmesser konvertiert
und einen Konfusor bildet und daran anschliessend ist ein dritter
Bereich angeordnet, welcher mit einem kleineren Durchmesser als
der Nenndurchmesser ausgebildet ist. Diese Anordnung bringt insbesondere
den Vorteil, dass Störungen in der Strömung des
Fluides vor dem Eintritt in die Messstrecke mindestens reduziert
oder sogar soweit aufgehoben werden, dass sie den Messvorgang nicht
mehr beeinflussen können. Damit wird unter anderem sichergestellt,
dass die erfindungsgemässe Messeinrichtung für
geprüfte Messsysteme genau geeicht werden kann und damit
auch die Bauartzulassung bestanden werden kann. Es ist vorteilhaft,
wenn das Mass des kleineren Durchmessers im dritten Rohrbereich
maximal 80% des Nenndurchmessers und minimal 40% des Nenndurchmessers
beträgt. Der durch die Verengung resultierende Druckverlust
kann in bekannter Weise durch die Gestaltung der Konfusor- und Diffusor-Winkel wesentlich
reduziert oder unbedeutend gemacht werden. Der Diffusor befindet
sich am Ende der Messstrecke, bzw. im Bereiche des Austritts des
Fluids aus der Messstrecke. Konfusor und Diffusor können,
in dem Fachmann bekannter Weise, gleiche oder unterschiedliche Winkel
aufweisen. Entsprechende Hinweise können beispielsweise
dem Fachbuch „Flow Measurement Engineering Handbook",
R. W. Miller, 1983, McGraw-Rill Company (ISBN 0-07-042045-9) entnommen
werden.
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Um
die Eichbarkeit und die Bauartzulassung sicherzustellen, wird erfindungsgemäss
weiter vorgeschlagen, dass der Ein-/Austrittsbereich der Ultraschallmesssignale
des ersten Ultraschallwandlers in das Fluid, vom inneren Ende des
Konfusors einen Abstand aufweist, welcher mindestens 30% des Nenndurchmessers
beträgt. Der Ein-/Austrittsbereich der Ultraschallmesssignale
des zweiten Ultraschallwandlers zum Fluid weist vom inneren Ende
des Konfusors einen Abstand auf, welcher maximal 200% des Nenndurchmessers
beträgt. Wenn die Ein-/Austrittsbereiche in diesem Abstand
vom Konfusor angeordnet sind, wird der Einfluss von Störungen in
der Fluidströmung auf das Messergebnis minimal oder Null
und kann vernachlässigt werden. Diese Position der Ultraschallwandler
gegenüber dem Ende des Konfusors wird bei jedem bestimmten
Nenndurchmesser eines Messrohres wiederum durch die genaue und feste
Position der ersten und zweiten Verbindungselemente am Messrohr,
bzw. am Gehäuse des Ultraschallmessgerätes sichergestellt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe
Durchfluss-Messeinrichtung,
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2 zeigt
die Durchfluss-Messeinrichtung gemäss 1 in
perspektivischer Ansicht und mit teilweise abgehobenen Ultraschallmessgerät,
und
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform mit verschraubten Verbindungselementen
zwischen Messrohr und Ultraschallmessgerät.
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1 zeigt
einen Längsschnitt durch eine Messstrecke 1 einer
erfindungsgemässen Durchfluss-Messeinrichtung. Diese Messstrecke 1 umfasst ein
Messrohr 3, welches an beiden Enden Rohrverbindungselemente 4, 5 in
der Form von Flanschen aufweist. Diese Flanschen 4, 5 dienen
in bekannter Weise dazu, die Messstrecke 1 in eine nicht
dargestellte Rohrleitung einzubauen, welche von einem Fluid, beispielsweise
Wasser durchströmt ist. Das Fluid strömt dabei
in Richtung des Pfeiles 7 durch die Messstrecke 1,
bzw. das Messrohr 3. Mit dem Messrohr 3 ist ein
Ultraschallmessgerät 2 mit einem Gehäuse 17 lösbar
verbunden. Im Gehäuse 17 des Ultraschallmessgerätes 2 sind
zwei Ultraschallwandler 15, 16 angeordnet, welche
von Schutzhüllen 60, 61 umgeben sind
und mit diesen in Richtung der Pfeile 44 etwa rechtwinklig
zur Längsachse 20 des Messrohres 3 verschiebbar
sind. Dazu sind an den Schutzhüllen 60, 61 der
Ultraschallwandler 15, 16 Führungen,
bzw. Anschläge 37 angeordnet, welche in nicht dargestellten
Führungen am Gehäuse 17 geführt werden.
Im Bereich der Führungen am Gehäuse 17 sind
Anschläge 36 (siehe 2) vorhanden,
welche die Verschiebung der Schutzhüllen 60, 61 mit
den Ultraschallwandlern 15, 16 in Richtung des
Messrohres 3 begrenzen. Durch diese Anordnung sind die
Ultraschallwandler 15, 16 mit dem Gehäuse 17 verbunden und
in einer Ebene parallel zur Längsachse 20 des Messrohres 3 genau
positioniert. In einer Ebene, welche parallel zur Längsachse 20 des
Messrohres 3 verläuft, weisen die Ultraschallwandler 15, 16 bzw. deren
Achsen 45, 46 einen vorbestimmten festen Abstand
zueinander auf. Zwischen einem vom Messrohr 3 abgewendeten
oberen Gehäuseteil des Gehäuses 17 und
den Schutzhüllen 60, 61 der Ultraschallwandler 15, 16 sind
Federelemente 24 eingebaut, welche die Schutzhüllen 60, 61 der
Ultraschallwandler 15, 16 mit einer vorbestimmten
Kraft gegen das Messrohr 3 drücken. Am Messrohr 3 ist
eine erste Auflagefläche 21 ausgebildet, auf welcher
eine zweite Auflagefläche 22 des Gehäuses 17 aufliegt.
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Im
dargestellten Beispiel sind zwei Ultraschallwandler 15, 16 nebeneinander
angeordnet und über ihre Schutzhüllen 60, 61 einzeln
im Gehäuse 17 geführt. Gemäss
der Erfindung können diese beiden Ultraschallwandler 15, 16 auch
eine geschlossene Baueinheit bilden und sie sind dann mit festem
Abstand zueinander in einer Kunststoffmasse vergossen. Diese Kunststoffmasse
bildet dann die Schutzhüllen 60, 61.
Sie können aber auch in anderer bekannter Weise fest miteinander
verbunden sein. Dadurch wird gewährleistet, dass der Abstand
zwischen den beiden Ultraschallwandlern 15, 16 in
Richtung der Längsachse 20 nicht verändert
werden kann und in jedem Fall, auch bei Reparaturen oder Auswechslung
des Ultraschallmessgerätes 2 dem vorbestimmten
Wert entspricht.
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An
der gegen das Messrohr 3 gerichteten unteren Seite der
Ultraschallwandler 15, 16 ist ein plattenförmiges
Zwischenelement 25 aus einem elastischen Kunststoff angeordnet,
wobei dieses Zwischenelement 25 auf der ersten Auflagefläche 21 am Messrohr 3 aufliegt.
Im dargestellten Beispiel besteht dieses Zwischenelement 25 aus
einem Silikon-Elastomer. Dieses Zwischenelement 25 dient
als Ankoppelungselement und gewährleistet den optimalen Übergang
der Ultraschallwellen von den Ultraschallwandlern 15, 16 durch
die Wandung des Messrohres 3 und durch das Fluid, welches
durch das Messrohr 3 strömt und zurück.
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Am
Messrohr 3 sind an vorbestimmten und festen Positionen
zwei erste Verbindungselemente 13, 14 angeordnet.
Diese Verbindungselemente 13, 14 sind in Richtung
der Längsachse 20 voneinander beabstandet. Eines
der ersten Verbindungselemente, nämlich das erste Verbindungselement 13 ist
dabei im dargestellten Beispiel in den Flansch 4 integriert
und umfasst zwei Öffnungen 31. Das andere erste
Verbindungselement 14 besteht aus einem Kragen am Messrohr 3 und
weist zwei Öffnungen 32 auf. Als Gegenstück
dazu sind am Gehäuse 17 des Ultraschallmessgerätes 2 ebenfalls
an vorbestimmten und festen Positionen zwei zweite Verbindungselemente 18, 19 angeordnet.
Dabei weist das erste der zweiten Verbindungselemente, nämlich
das Verbindungselement 18 zwei Nocken 30 auf,
welche in die Öffnungen 31 am ersten Verbindungselement 13 eingreifen. Diese
Nocken 30 sind im Bereiche einer Stirnseite 27 des
Gehäuses 17 angeordnet. Das andere zweite Verbindungselement 19 weist
ebenfalls zwei Nocken 28 auf, welche in die Öffnungen 32 am
ersten Verbindungselement 14 eingreifen. Diese Nocken 28 sind an
einer Stirnseite 26 des Gehäuses 17 angeordnet, welche
in Richtung der Längsachse 20 der Messstrecke 1 gesehen,
der Stirnseite 27 gegenüberliegt. Diese beiden
zweiten Verbindungselemente 18, 19, bzw. deren
Nocken 28, 30 weisen in Richtung der Längsachse 20 ebenfalls
einen vorbestimmten und festen Abstand auf und wirken kraft- und
formschlüssig mit den beiden ersten Verbindungselementen 13, 14 am Messrohr 3 zusammen.
Im dargestellten Beispiel ist das zweite Verbindungselement 13 mit
den beiden Nocken 30 Bestandteil eines Kniehebels 29,
welcher über ein Lager 41 schwenkbar mit dem Gehäuse 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 verbunden ist. Dieser Kniehebel 29 ist
um das Lager 41, welches einen Drehpunkt bildet, in Richtung
der Pfeile 42 schwenkbar. Dadurch können die Nocken 30 aus
den Öffnungen 31 ausgeschwenkt werden, wodurch
die Verbindung zwischen dem Gehäuse 17 und dem
Messrohr 3 gelöst wird. In 2 ist die
Anordnung in geöffnetem Zustand des Kniehebels 29 dargestellt.
Der Zusammenbau des Ultraschallgerätes 2 mit dem
Messrohr 3 erfolgt in umgekehrter Weise, indem die Nocken 28 in
die Öffnungen 32 am ersten Verbindungselement 14 des
Messrohres 3 eingeklinkt werden und das Gehäuse 17 gegen
das Messrohr 3 geschwenkt wird, bis die zweite Auflagefläche 22 über
das Zwischenelement 25 an der ersten Auflagefläche 21 des Messrohres 3 anliegt.
Durch Schliessen des Kniehebels 29 greifen die Nocken 30 in
die Öffnungen 31 am ersten Verbindungselement 13,
bzw. am Flansch 4 ein und Anschläge 47, 48 bestimmen
die genaue Position des Ultraschallmessgerätes 2 gegenüber
dem Messrohr 3. Bei vollständig geschlossenem
Kniehebel 29 wird das Gehäuse 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 gegenüber dem
Messrohr 3 genau in der gewünschten Lage positioniert
und mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Messrohr 3 gedrückt.
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An
einem Bereich 38 des Kniehebels 29, welcher das
Gehäuse 17 übergreift, ist ein Gegenstück 49 angeordnet,
welches mit einem Plombierelement 39 am Gehäuseteil 23 des
Gehäuses 17 zusammenwirkt. Bei geschlossenem Kniehebel 29 kann
am Plombierelement 39 eine Plombe 40 angebracht
werden. Diese Plombe 40 gewährleistet, dass der
Kniehebel 29 nicht geöffnet und das Ultraschallmessgerät 2 nicht
in unbefugter Weise entfernt wird. Derartige Plomben sind beispielsweise
bei amtlich zugelassenen Messgeräten notwendig, welche
beispielsweise für Wärmemessungen oder Wassermessungen
eingesetzt werden.
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Im
Gehäuse 17 des Ultraschallmessgerätes 2 sind
noch weitere, nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte elektrische
und/oder elektronische Bauteile eingebaut, welche mit der in 2 dargestellten elektrischen
Leitung 43 verbunden sind. Dabei kann es sich beispielsweise
um Messwertwandler, Datenspeicher, Sender-/Empfängereinheiten
und dergleichen handeln.
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Die
Durchflussbohrung durch das Messrohr 3, durch welche das
Fluid strömt, weist bei der erfindungsgemässen
Durchfluss-Messeinrichtung eine spezielle Ausgestaltung auf. An
der Eintrittsseite 9 des Fluides in das Messrohr 3 weist
die Bohrung einen ersten Bereich 10 mit einem Nenndurchmesser 6 auf,
welcher dem Durchmesser der Zuleitungen entspricht. An diesen ersten
Bereich 10 mit dem Nenndurchmesser 6 anschliessend
ist ein zweiter Bereich 11 angeordnet, welcher auf einen
kleineren Durchmesser konvertiert und einen Konfusor bildet. Anschliessend
an das Ende 34 des Konfusors 11 ist ein dritter
Bereich 12 ausgebildet, welcher den Messbereich bildet
und einen Innendurchmesser 8 aufweist. Dieser Innendurchmesser 8 ist
kleiner als der Nenndurchmesser 6, wobei er minimal 40%
und maximal 80% des Nenndurchmessers 6 beträgt.
Um eine optimale und sichere Messung der Durchflussmengen von Fluid
durch den Messbereich 12 des Messrohres 3 zu gewährleisten,
sind die beiden Ultraschallwandler 15, 16 in einem
vorbestimmten und vom Nenndurchmesser 6 abhängigen
Abstand gegenüber dem inneren Ende 34 des Konfusors 11 positioniert.
Im dargestellten Beispiel ist dieser Abstand vom Ende 34 des
Konfusors 11 durch die Position der Ein-/Austrittsbereiche 63, 64 der
Ultraschallmesssignale 62 der beiden Ultraschallwandler 15, 16 zum Fluid
definiert. Der Ein-/Austrittsbereich 63 der Ultraschallmesssignale 62 des
ersten Ultraschallwandlers 15 weist zum inneren Ende 34 des
Konfusors 11 einen Abstand 35 auf, welcher mindestens
30% des Nenndurchmessers 6 beträgt. Der andere
Ein-/Austrittsbereich 64, welcher zum zweiten Ultraschallwandler 16 gehört,
weist zum inneren Ende 34 des Konfusors 11 einen
Abstand 65 auf, welcher maximal 200% des Nenndurchmessers 6 beträgt.
Diese Abstände 35, 65 werden für
einen bestimmten Nenndurchmesser 6 für jeweils
ein bestimmtes Fluid und ein bestimmtes Material des Messrohres 3 und
dessen geometrische Ausgestaltung im Werk bestimmt. In Abhängigkeit
von die sen Abständen 35, 65, d. h. von
der Position der Achse 45, 46 der beiden Ultraschallwandler 15, 16,
werden die genauen Positionen der ersten Verbindungselemente 13, 14 am Messrohr 3 und
der zweiten Verbindungselemente 18, 19 am Gehäuse 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 bestimmt und festgelegt.
Da damit die geometrische Ausgestaltung des Messrohres 3 genau
festgelegt und über die fest positionierten ersten Verbindungselemente 13, 14 und
die zweiten Verbindungselemente 18, 19 auch die
Position des Ultraschallmessgerätes 2 und damit
der Ultraschallwandler 15, 16 im Verhältnis
zum Messrohr 3 zwingend vorgegeben ist, kann die erfindungsgemässe
Durchfluss-Messeinrichtung im Werk kalibriert und geeicht werden.
Der Zusammenbau des Ultraschallmessgerätes 2 mit dem
Messrohr 3 kann dann an der Einbaustelle der Messstrecke 1 in
eine Rohrleitung erfolgen, wobei die im Werk geeichten Werte erhalten
bleiben. Damit ist es auch möglich, ein Ultraschallmessgerät 2 für
eine Reparatur zu entfernen und wieder einzubauen, wobei wiederum
die vorgegebenen Werte korrekt erhalten bleiben. Auch der von Zulassungsstellen
gefordert Ersatz von Ultraschallmessgeräten 2 in
vorgegebenen Zeitintervallen, z. B. alle fünf Jahre, ist
unter Beibehaltung der Messwertvorgaben und der Eichung möglich.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ultraschallwandler 15, 16 im
Gehäuse 17, in Richtung der Längsachse 20 des
Messrohres 3, eine genau bekannte Position haben und nicht verschoben
werden können und dass die Positionen des Gehäuses 17 bzw.
des Ultraschallmessgerätes 2 in Bezug auf das
Messrohr 3 durch die fest positionierten Verbindungselemente 13, 14 bzw. 18, 19 ebenfalls
genau festgelegt ist.
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Gemäss
der Erfindung ist einem bestimmten Nenndurchmesser 6 auch
ein bestimmter Abstand, in Richtung der Längsachse 20 des
Messrohres 3, zwischen den festen Verbindungselementen 13, 14 bzw. 18, 19 zugeordnet.
D. h. ein Ultraschallmessgerät 2, welches für
ein Messrohr 3 mit einem Nenndurchmesser 6 der
Abmessung X bestimmt ist, kann nicht mit einem anderen Messrohr
zusammengebaut werden, welches einen Nenndurchmesser 6 der
Abmessung Y aufweist. Die ersten Verbindungselemente 13, 14 am
Messrohr 3 und die zweiten Verbindungselemente 18, 19 am
Gehäuse 17 des Ultraschallmessgerätes 2 bilden
dabei ein mechanisches Identifikationselement für ein zusammengehörendes Paar
von jeweils einem bestimmten Messrohr 3 mit einem bestimmten
Nenndurchmesser 6 und einem bestimmten zugehörigen
Ultraschallmessgerät 2, wobei das Ultraschallmessgerät 2 auf
diesen Nenndurchmesser 6 und ein bestimmtes Fluid abgestimmt ist.
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In 2 ist
eine erfindungsgemässe Durchfluss-Messeinrichtung in perspektivischer
Ansicht dargestellt, wie sie zu 1 oben beschrieben
ist. Dabei ist der Kniehebel 29 am Gehäuse 17 geöffnet und
das Gehäuse 17 teilweise vom Messrohr 3 abgehoben.
Der Kniehebel 29 ist um das Lager bzw. den Drehpunkt 41 schwenkbar
und zwar in Richtung der Pfeile 42. Dadurch können
die Nocken 30 am zweiten Verbindungselement 18 in
die Öffnungen 31 am ersten Verbindungselement 13 eingeschwenkt,
bzw. aus diesen Öffnungen 31 ausgeschwenkt werden.
In Richtung der Längsachse 20 des Messrohres 3 ist mit
dem vorbestimmten Abstand das andere erste Verbindungselement 14 am
Messrohr 3 angeordnet. Dabei handelt es sich um ein kragenförmiges
Element, welches auf das Messrohr 3 aufgeschweisst und
fest mit diesem verbunden ist. In diesen Verbindungselementen 14 befinden
sich wie in 1 dargestellt zwei Öffnungen 32,
in welche die Nocken 28 am Gehäuse 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 eingreifen. Am Messrohr 3 ist
an der oberen Seite eine Abflachung angebracht, welche die erste
Auflagefläche 21 bildet. Auf dieser Auflagefläche 21 liegt
bei eingeschwenktem und geschlossenem Kniehebel 29 die
zweite Auflagefläche 22 des Gehäuses 17 auf und
damit auch die Ultraschallwandler 15, 16, bzw. die
mit diesen verbundenen Zwischenelemente 25. An der Seitenwand 50 des
Gehäuses 17 sind die Endanschläge 36 sichtbar,
welche die Verschiebebewegungen der Schutzhüllen 60, 61 mit
den Ultraschallwandlern 15, 16 im Gehäuse 17 begrenzen.
An der rechten Stirnseite 26 des Gehäuses 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 ist eine Zuleitung 43 angeordnet,
welche zur Versorgung des Gerätes mit elektrischer Energie
und/oder dem Datentransfer dient.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Durchfluss-Messeinrichtung
ist beispielsweise für einen Nenndurchmesser (ND) 6 von
50 mm bestimmt und das Messrohr 3 weist gemäss
Norm/Vorschrift der Europäischen Norm EN 1434 eine
Baulänge von 200 mm auf. Der Abstand zwischen den Anschlägen 47, 48 der
beiden ersten Verbindungselementen 13, 14 in Richtung
der Längsachse 20 des Messrohres 3 beträgt
in diesem dargestellten Beispiel 134 mm.
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Eine
weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Durchfluss-Messeinrichtung ist in 3 dargestellt.
Bei diesem Beispiel ist das Gehäuse 17 des Ultraschallmessgerätes 2 an
beiden Stirnseiten 26, 27 mit vorspringenden Befestigungsflanschen 51, 52 ausgestattet.
Diese Befestigungsflanschen 51, 52 bilden die
zweiten Verbindungselemente 18, 19. Am Messrohr 3 sind
Gewindebolzen 53, 54 angeordnet, welche die ersten
Verbindungselemente 13, 14 bilden. In den Befestigungsflanschen 51, 52 am
Gehäuse 17 sind Durchgangsbohrungen 55, 56 vorhanden,
welche mit den Gewindebolzen 53, 54 zusammenwirken.
Die Gewindebolzen 53, 54 einerseits und die Durchgangsbohrungen 55, 56 anderseits
weisen in Richtung der Längsachse 20 des Messrohres 3 wiederum
einen vorbestimmten festen Abstand zueinander auf, welcher einem
bestimmten Nenndurchmesser 6 der Messstrecke 1 entspricht. Das
Messrohr 3 weist auch hier eine erste Auflagefläche 21 und
das Gehäuse 17 eine zweite Auflagefläche 22 auf.
Die Verbindung des Ultraschallmessgerätes 2 mit
dem Messrohr 3 erfolgt durch Aufstecken des Gehäuses 17 mit
den Befestigungsflanschen 51, 52 auf die Gewindebolzen 53, 54 am
Messrohr 3 und das Anbringen von Gewindemuttern 57, 58,
wodurch die kraft- und formschlüssige Verbindung hergestellt wird.
Die Gewindebolzen 53, 54 und die Gewindemuttern 57, 58 bilden
zusammenwirkende Bauelemente und sind so ausgebildet dass diese
Bauelemente durch Plomben 59 miteinander verbunden und gesichert
werden können. Dies ermöglicht die Sicherung von
geeichten erfindungsgemässen Durchfluss-Messeinrichtungen.
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Bei
dem Beispiel gemäss 3 ist erkennbar,
dass bei kleinerem Nenndurchmesser (ND) 6 die Baulänge
des gesamten Messrohres 3 im Verhältnis zur Länge
des Gehäuses 17 des Ultraschallmessgerätes 2 grösser
wird. Das dargestellte Beispiel weist beispielsweise einen Nenndurchmesser
ND von 25 mm auf und die gesamte Baulänge des Messrohres 3 beträgt
260 mm. Diese Masse sind wiederum durch die Norm/Vorschrift der
Europäischen Norm EN 1434 bestimmt und
vor geschrieben. Die kleineren Abmessungen des Gehäuses 17 des
Ultraschallmessgerätes 2 resultieren aus dem kleineren
Abstand zwischen den beiden Ultraschallwandlern 15, 16 und den
entsprechend kleineren übrigen Abmessungen der Anordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005035265
A [0002]
- - US 3869915 [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Flow
Measurement Engineering Handbook", R. W. Miller, 1983, McGraw-Rill
Company (ISBN 0-07-042045-9) [0014]
- - EN 1434 [0029]
- - EN 1434 [0031]