DE10221771A1

DE10221771A1 - Ultraschallwandler für ein Ultraschall-Durchflußmessgerät

Info

Publication number: DE10221771A1
Application number: DE10221771A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Thomas Froehlich; Andreas Berger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-11-27
Also published as: EP1504242A1; AU2003247281A1; WO2003098166A1

Abstract

Bei einem Ultraschallwandler für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät sind mehrere Piezoelemente 40.1 bis 40.n vorgesehen, die zeitversetzt mit einer Steuerlogik 20 ansteuerbar sind. Dadurch kann die Ausbreitungsrichtung der abgestrahlten Ultraschallwellen in einem weiten Bereich variiert werden.

Description

Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach in der Prozeß- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluß in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten entweder nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.
Hierzu werden Ultraschallimpulse mittels Wandler sowohl in wie auch entgegen der Strömungsrichtung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluß bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen läßt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so daß dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe sogenannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Meßsysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluß an die Rohrwandung gepreßt. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B 686 255, US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.
Ein weiteres Ultraschall-Durchflußmeßgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels Bursts, das sind kurze Ultraschallimpulse, ermittelt.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem Piezoelement und einem Koppelkeil aus Kunststoff. Im Piezoelement werden die Ultraschallwellen erzeugt und über den Koppelkeil zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit eingekoppelt. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang zwischen den verschiedenen Medien gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden unterschiedlichen Medien.
Ändert sich das Messmedium, so ändert sich auch der Brechungswinkel und damit der Schallweg zwischen Sendewandler und Empfängerwandler. Für eine optimale Messung ist die Einhaltung eines vorgegebenen Signalweges notwendig. Es ist deshalb den Empfängerwandler entsprechend nachzujustieren. Zur Bestimmung der Sende- Schallgeschwindigkeit im Medium und in der Rohrwandung wurde bisher ein zweiter Ultraschallsensor benötigt. Da die Rohrwandstärke ebenfalls einen Einfluß auf den Signalweg hat, ist es bei bestimmten Anwendungen notwendig, die Rohrwandstärke zu bestimmen. Dies ist nur mit einem weiteren dritten Ultraschallsensor möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät anzugeben, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist, der insbesondere eine einfache Anpassung an unterschiedlichen Medien ermöglicht und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Wesentliche Idee der Erfindung ist es, mehrere Piezoelemente bei einem Ultraschallwandler für einen Ultraschall-Durchflußmesser vorzusehen, die separat von einer Steuerlogik ansteuerbar sind. Durch zeitversetztes Ansteuern der einzelnen Piezoelemente können Wellenfronten in beliebigen Richtungen erzeugt werden.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ultraschalldurchflußmeßgerätes
Fig. 2 Erfindungsgemäße Ultraschallwandler
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Ultraschall- Durchflußmessgerät mit zwei Ultraschallwandlern 2, 3, die auf der Außenwandung einer Rohrleitung 1 achsparallel versetzt lösbar (Clamp-on- Einheit) angeordnet sind. Die Flüssigkeit F in der Rohrleitung 1 fließt in Pfeilrichtung.
Dieses Wandlerpaar 2, 3 kann auf zwei unterschiedliche Weisen betrieben werden. Entweder wirkt der Ultraschallwandler 2 als Sendewandler und der Ultraschallwandler als 3 als Empfängerwandler oder der Ultraschallwandler 2 als Empfängerwandler und der Ultraschallwandler 3 als Sendewandler, wodurch abwechselnd in Strömungsrichtung bzw. entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird.
Jeder der Ultraschallwandler 2 bzw. 3 besteht aus jeweils einem Piezoelement P2 bzw. P3 und jeweils einem Koppelelement 21 bzw. 31, das die Ultraschallsignale unter einem von 90° verschiedenen Winkel α entweder in die Wandung der Rohrleitung ein- bzw. auskoppelt werden. Der Winkel α ist so gewählt, daß das an der gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung 1 reflektierte Signal auf den jeweils anderen Ultraschallwandler trifft.
Die Piezoelemente P2, P3 wandeln entweder elektrische Impulse in mechanische Schwingungen, die eigentlichen Ultraschallsignale, oder umgekehrt mechanische Schwingungen in elektrische Impulse um.
Beide Ultraschallwandler 2, 3 sind jeweils über Anschlußleitungen 23 bzw. 33 mit einer Meßschaltung 100 verbunden. Über diese Anschlußleitungen 23, 33 werden die elektrischen Impulse geführt.
In Fig. 2 ist der Ultraschallwandler 2 näher dargestellt. Der Ultraschallwandler 2 besteht aus einem Gehäuse 50, das an seiner Unterseite eine Anpassungs- und Isolationsschicht 60 aufweist. Die Anpassungs- und Isolationsschicht 60 liegt beim Einsatz an der Aussenwandung der Rohrleitung 1 an. Im Gehäuseinnern sind auf Anpassungs- und Isolationsschicht 60 mehrere Piezoelemente 40.1, 40.2. . .40.n vorgesehen. Die Piezoelemente sind über entsprechende Zuleitungen 30.1, 30.2, 30.n mit einer Treiber- und Vorverstärkerelektronik 20 verbunden. Die Treiber- und Vorverstärkerelektronik 20 ist über eine Verbindungsleitung 22 mit der Meßschaltung 100 verbunden.
In Fig. 2 ist ebenfalls dargestellt, wie Ultraschallwellen unter einem bestimmten Winkel α durch entsprechendes zeitversetztes Ansteuern der einzelnen Piezoelemente 40.1 bis 40.n erzeugt werden. Die Wellenfront ist mit 80 bezeichnet und steht senkrecht auf die Ausbreitungsrichtung.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Durch zeitversetztes Ansteuern der einzelnen Piezoelemente 40.1 bis 40.n kann eine Ultraschallwelle in beliebiger Richtung α erzeugt werden. Dadurch kann die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen immer so gewählt werden, daß die abgestrahlte Ultraschallwelle den Empfängerwandler optimal trifft. Dadurch entfällt ein Nachjustieren der beiden Wandler, bei sich ändernden Prozeßbedingungen, insbesondere wenn das Meßmedium gewechselt wird.
Die optimale Ausbreitungsrichtung kann dadurch gefunden werden, daß der Zeitverzug bei der Ansteuerung der benachbarten Piezoelemente (40.i, 40.i + 1) variiert wird und gleichzeitig die empfangene Intensität beim Senderwandler kontrolliert wird. Entsprechend kann die Einstellung beim Empfängerwandler vorgenommen werden.
Neben der optimalen Wahl der Ausbreitungsrichtung ist auch eine Messung der Schallgeschwindigkeit im Medium sowie in der Rohrwandung möglich.
Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Medium wird nur die erste Hälfte der Piezoelemente 40.1 bis 40.n/2 angesteuert. Die zweite Hälfte der übrigen Piezoelemente 40.n/2 + 1 bis 40.n dienen als Empfängerwandler und detektieren die Echos der Ultraschallwellen, die entweder an der Grenzfläche Rohrwandungmedium bzw. an der gegenüberliegenden Rohrwandung reflektiert werden. Aus dem Zeitverzug und der Intensität der Echos läßt sich die Schallgeschwindigkeit im Medium bzw. in der Rohrwandung bestimmen.
Aufgrund der Kenntnis über diese beiden Schallgeschwindigkeiten (Medium, Rohrwandung) läßt sich der Brechungswinkel α, der ja die Richtung der abgestrahlten Ultraschallwellen angibt, berechnen und dadurch eine vorab Grobjustierung der beiden Ultraschallwandler 2, 3 vornehmen.
In einer vereinfachten Ausgestaltung der Erfindung ist nur ein Piezoelement im Wandler vorgesehen, das schwenkbar gelagert ist. Durch die schwenkbare Lagerung kann die Richtung, in der die Ultraschallwelle abgestrahlt wird ebenfalls quasi beliebig eingestellt werden.
Der Ultraschallwandler besteht aus einem Gehäuse 210, das mit einer Koppelflüssigkeit 250 (Öl) gefüllt ist. Im inneren des Gehäuses 210 ist eine Welle 203 schwenkbar gelagert, die mit einem inneren Gehäuse 204 verbunden ist. Im Inneren des Gehäuses 204 ist ein Ultraschallwandler 201 angeordnet, der mit der Welle 203 mittels einer Klebe- und Anpassungsschicht 202 verbunden ist. Fig. 3b zeigt einen Querschnitt des Ultraschallwandlers gemäß Fig. 3a. Über eine elektrische Zuführung 231 ist der Ultraschallwandler 201 mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik verbunden. Die Welle 203 kann mit Hilfe eines Schrittmotors 220 über eine Zahnradverbindung 221 und 222 gedreht werden. Der Schrittmotor 220 wird über eine elektrische Zuführungsleitung 232 angetrieben. Die Welle 203 ist über eine Wellendichtung 211 gegenüber dem Gehäuse 210 abgedichtet.
Das Gehäuse 210 liegt an einer Rohrwandung 240, in der das Messmedium strömt.
Durch Drehen der Welle 203 kann die Abstrahlrichtung der Ultraschallwellen bzw. die Empfangsrichtung über weite Bereiche variiert werden.

Claims

1. Ultraschallwandler für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät, bestehend aus einem Gehäuse 50, das an seiner Unterseite eine Anpassungs- und Isolationsschicht 60 aufweist auf der mehrere Piezoelemente 40.1 bis 40.n vorgesehen sind, die mit einer Steuerlogik 20 verbunden sind, die die einzelnen Piezoelemente 40.1 bis 40.n zeitversetzt ansteuert.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler als Clamp-on-Einheit ausgebildet ist.

3. Verfahren zur Bestimmung der optimalen Ausbreitungsrichtung bei einem Ultraschallwandler gemäß der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitverzug bei der Ansteuerung benachbarter Piezoelemente 40.i, 40.i + 1 variiert wird und die empfangene Intensität beim Empfängerwandler maximiert wird.

4. Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Medium mit einem Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Piezoelement als Sender dient und die übrigen Piezoelemente als Empfänger dienen.

5. Ultraschallwandler für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät bestehend aus einem Gehäuse, in dem ein Piezoelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement schwenkbar gelagert ist.