Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koppelelement eines Ultraschallwandlers für ein Ultraschall- Durchflussmessgerät, geeignet zur Modenkonversion einer akustischen Longitudinalwelle zwischen einer Einkoppelfläche und einer Auskoppelfläche des Koppelelements durch Reflexion an einer ersten Grenzfläche des Koppelelements zu einem vorgegebenen Medium.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.

Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig 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 in einem bestimmten Wnkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die

Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen. 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 auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.

Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Es sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler von außerhalb des Messrohrs an dessen Rohrwand gepresst. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden.

Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, ermittelt.

Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen

Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, und einer Koppelschicht, oder auch Koppelelement genannt, insbesondere bei Clamp-On-Systemen. Im elektromechanischen Wandlerelement werden die Ultraschallwellen erzeugt und über das Koppelelement zur

Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet, bei Clamp-On-Systemen, oder sie werden bei Inline-Systemen über die Koppelschicht in das Messmedium eingekoppelt. Dann wird die Koppelschicht auch seltener Membran genannt.

Zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Koppelelement kann eine weitere

Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.

Um störende Reflexionen des Ultraschallsignals innerhalb des Koppelelements zu minimieren, schlägt beispielsweise die DE 10 2007 062 913 A1 einen schallabsorbierenden Bereich vor.

Die US 4,467,659 offenbart ein Koppelelement eines Ultraschallwandlers eines

Durchflussmessgeräts. Das Koppelelement weist eine Einkoppelfläche auf, auf weicher ein piezoelektrischer Ultraschallwandler angebracht ist und welcher eine longitudinale Schallwelle im Koppelelement erzeugt. Diese wird an einer ersten Grenzfläche so reflektiert, dass eine transversale Schallwelle von der ersten Grenzfläche zu einer Auskoppelfläche reflektiert wird, wo sie aus dem Koppelelement in eine Rohrwand ausgekoppelt wird, auf welcher das Koppelement angebracht ist. Die beschriebene Modenkonversion im Koppelelement wird vorgenommen, um so genannte Lambwellen in der Rohrwand zu erzeugen, mit Hilfe derer der Durchfluss eines Messmediums durch das Rohr gemessen wird. Zusätzlich dazu zeigt die US 4,475,054 eine gekrümmte Grenzfläche zur Fokussierung der konvertierten Transversalwelle. Diese Wandler scheinen für die klassische Laufzeitdifferenzmessung mittels Clamp-On-Ultraschallwandlern ungeeignet, da neben den Transversalwellen auch Longitudinalwellen in die Rohrwand ausgekoppelt werden, welche die Messung empfindlich stören. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzuschlagen, um möglichst viel Schallenergie in einer vorgegebenen Form in eine Rohrleitung einzukoppeln, um diese zur Messung des Durchflusses zu nutzen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 12.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wieder.

Neben möglichst viel Schallenergie in einer vorgegebenen Form in eine Rohrleitung

einzukoppeln, um diese zur Messung des Durchflusses zu nutzen, wird bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Koppelelements zusätzlich möglichst wenig Schallenergie in anderen, die Messung störenden Formen in die Rohrleitung eingekoppelt. Das erfindungsgemäße Koppelelement eignet sich für den Einsatz in Hochtemperatur-Clamp-On-Ultraschall- Durchflussmessgeräten.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen hier kurz anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Ultraschallwandler eines Clamp-On-

Ultraschall-Durchflussmessgeräts,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler eines Clamp-

On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts,

Fig. 3 zeigt den über einen Reflexionswinkel aufgetragenen Reflexionskoeffizienten für eine

Longitudinal- und eine Transversalwelle,

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler in einer weiteren Ausgestaltung,

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Reflexionswinkel der Longitudinal- und Transversalwellen in

Abhängigkeit vom Einfallswinkel.

In Fig. 1 ist ein Ultraschallwandler 1 eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts des Stands der Technik dargestellt. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Koppelelement 2 auf, welches geeignet ist zur Modenkonversion einer akustischen Longitudinalwelle zwischen einer

Einkoppelfläche 3 und einer Auskoppelfläche 4 des Koppelelements durch Reflexion an einer ersten Grenzfläche 5 des Koppelelements 2 zu einem vorgegebenen Medium. Koppelelemente von Ultraschallwandlern für Ultraschall-Durchflussmessgeräte zur Transmission von

mechanischen, insbesondere akustischen Wellen sind weithin bekannt. Hier findet zusätzlich zur Transmission der akustischen Wellen eine Modenkonversion statt. Ein elektromechanisches Wandlerelement 7 ist auf der Einkoppelfläche 3 des Koppelelements 2 angeordnet. Es erzeugt longitudinale Schallwellen 10, welche sich im Koppelelement 2 auf eine erste Grenzfläche 5 hin ausbreiten. Die gestrichelten Linien zeigen die Breite der Welle an. Die erste Grenzfläche 5 wird durch eine Oberfläche des Koppelelements 2 zu einem vorgegebenen Medium, wie

beispielsweise die Luft in der Umgebung des Koppelements 2 gebildet.

An der ersten Grenzfläche 5 wird nun die Longitudinalwelle 10 reflektiert. In Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten im Koppelelement 2 und in dem das an die besagte Oberfläche des Koppelements 2 angrenzenden Mediums und in Abhängigkeit des Einfallswinkels der

Longitudinalwelle 10 auf die erste Grenzfläche 5 beziehungsweise des ersten Winkels α zwischen der Einkoppelfläche 3 und der ersten Grenzfläche 5, wird eine Transversalwelle 1 1 über eine Modenkonversion im Koppelelement 2 erzeugt. Die einfallende Longitudinalwelle 10 wird also anteilig in eine Longitudinalwelle 10 und eine Transversalwelle 1 1 an der ersten Grenzfläche 5 des Koppelelements 2 reflektiert. Deren Anteile hängen wiederum von den oben genannten Parametern ab. Ein Anteil der Schallenergie der einfallenden Longitudinalwelle 10 kann auch aus dem Koppelelement 2 austreten, in Form einer Schallwelle. Hier und im

Nachfolgenden wird nicht weiter auf die Reflexionsanteile eingegangen, welche aus dem jeweils beschriebenen System austreten.

Die reflektierte Longitudinalwelle 10 und die reflektierte Transversalwelle 1 1 breiten sich unter verschiedenen Winkel aus. Sie treffen beide auf die Auskoppelfläche 4 des Koppelelements 2. Dort werden sie, wieder anteilig, aus dem Koppelelement 2 ausgekoppelt und in ein

Messmedium oder in die Wand 9 eines Messrohrs 8 eingekoppelt, welches sie durchlaufen und anschließend in das Messmedium eingekoppelt werden. Ein Problem dieser Ultraschallwandler besteht darin, dass neben den zur Messung des Durchflusses des Messmediums durch das Messrohr 8 genutzten Anteile der Transversalwellen, welche wiederum an der Auskoppelfläche 4 oder der Messrohrwand 9 als Longitudinalwellen in das Messmedium reflektiert werden, auch die zur Auskoppelfläche reflektierten Longitudinalwellen an der Auskoppelfläche 4 oder der

Messrohrwand 9 in das Messmedium reflektiert werden oder sich in der Messrohrwand 9 ausbreiten und als Störgröße während der Messung des Durchflusses des Mediums durch das Messrohr wahrgenommen werden. Ein erfindungsgemäßes Koppelelement 2 eines Ultraschallwandlers für ein Ultraschall- Durchflussmessgerät, wie es in einer ersten Ausgestaltung in Fig. 2 gezeigt ist, weist eine Einkoppelfläche 3 und eine Auskoppelfläche 4 auf und ist geeignet zur Modenkonversion einer akustischen Longitudinalwelle zwischen der Einkoppelfläche 3 und der Auskoppelfläche 4 des Koppelelements 2 durch Reflexion an einer ersten Grenzfläche 5 des Koppelelements zu einem vorgegebenen Medium. Daneben weist es allerdings noch eine zusätzliche zweite Grenzfläche 6 zu einem vorgegebenen Medium auf, welche ungleich der Auskoppelfläche 4 des

Koppelelements 2 ist.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Koppelelements 2 wird, wie bereits oben beschrieben, eine Longitudinalwelle 10 durch die Einkoppelfläche 3 in das Koppelelement 2 eingekoppelt, welche sich in Richtung der ersten Grenzfläche 5 ausbreitet und an dieser reflektiert wird. Die Anteile der reflektierten transversalen 1 1 und longitudinalen Wellen 10 hängen wiederum in erster Näherung von den oben genannten Parametern ab, die entsprechend eingestellt werden. So sind ein erster Winkel α zwischen der Einkoppelfläche 3 und der ersten Grenzfläche 5 und ein zweiter Winkel ß zwischen der ersten Grenzfläche 5 und der Auskoppelfläche 4 so gewählt, dass ein Anteil an Transversalwellen 1 1 an der ersten Grenzfläche 5 zur Auskoppelfläche 5 reflektiert wird. Darüber hinaus ist ein dritter Winkel γ zwischen der ersten Grenzfläche 5 und der zweiten Grenzfläche 6 so gewählt, dass ein möglicher Anteil der zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten Longitudinalwellen 10, an der zweiten Grenzfläche 6 zurück ins Koppelelement 2 reflektiert wird. Ist die zweite Grenzfläche 6 zur ersten Grenzfläche 5 so angeordnet, dass ein Anteil an

Longitudinalwellen 10 an der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektiert wird, so ist die zweite Grenzfläche 6 zur ersten Grenzfläche 5 eben auch so angeordnet, dass ein Anteil dieser Longitudinalwellen 10 an der zweiten Grenzfläche 6 zurück ins Koppelelement 2 reflektiert wird. An der zweiten Grenzfläche 6 werden dabei nicht ausschließlich Longitudinalwellen 10 zurück in das Koppelelement 2 reflektiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch der Anteil einer vorgegebenen Wellenart, beispielsweise Longitudinalwellen, der zurückreflektierten Wellen groß im Vergleich zum Anteil der komplementären Wellenart, beispielsweise Transversalwellen.

Die zweite Grenzfläche 6 weist dabei einen Flächenschwerpunkt auf, welcher zu einer gedachten Ebene in Richtung einer Flächennormalen auf die Auskoppelfläche 4, welche Flächennormale durch den Flächenschwerpunkt der Auskoppelfläche verläuft, versetzt ist. Die gedachte Ebene ist im Raum derart orientiert, dass die Flächennormale der Auskoppelfläche 4 die Ebene senkrecht schneidet. Zusätzlich liegt der Flächenschwerpunkt der Auskoppelfläche in der besagten Ebene. Dadurch ist eindeutig festgelegt, dass die zweite Grenzfläche 6 nicht zur Auskoppelfläche 4 gehört. Da die Auskoppelfläche 4 im montierten Zustand des Ultraschallwandlers 1

beispielsweise eine Rohrleitung, oder im Fall eines montierten erfindungsgemäße

Durchflussmessgeräts auch Messrohr genannt, berührt, um die Ultraschallwellen in das Messrohr einzukoppeln, berührt die zweite Grenzfläche 6 das Messrohr nicht, damit die an ihr reflektierten Ultraschallwellen eben nicht in das Messrohr eingekoppelt werden. In dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die zweite Grenzfläche 6 durch eine Ausnehmung des Koppelelements 2 aus Fig. 1 gebildet. Eine Ausnehmung dieser Art wird nachfolgend als Stand- Off bezeichnet.

Neben den Winkeln sind natürlich auch die genannten Flächen 3, 4, 5 und 6 entsprechend beschaffen, insbesondere von ihren Größen, aber auch von ihren Formen. Somit ergeben sich vorgegebene Lagen der Flächen zueinander. In einer Ausgestaltung der Erfindung treffen insbesondere die durch die Einkoppelfläche 3 eingekoppelten Longitudinalwellen 10 weder unreflektiert auf die zweite Grenzfläche 6 des Stand-Offs noch auf die Auskoppelfläche 4.

Vielfach werden Auskoppelflächen auch als Ultraschallfenster bezeichnet.

Wie bereits erwähnt, sind die einzelnen Reflexionen in erster Näherung unabhängig von den Wellenlängen der akustischen Transversal- oder Longitudinalwellen. Daher ist ein

erfindungsgemäßes Koppelelement auch unabhängig von einem Ultraschallwandler oder einem Ultraschall-Messsystem zu konzipieren. Soll ein System jedoch hochpräzise messen, können weitere Parameterwie z.B. die Amplitude, die Wellenlänge und/oder die Frequenz der in das Koppelelement eingekoppelten akustischen Welle, die akustischen Impedanzen der beteiligten Medien, wie die des elektromechanischen Wandlerelements, die des Koppelelements, die einer eventuell dazwischen platzierten Anpassungsschicht, die des das Koppelelement umgebende Mediums, die des Messrohrs und die des Messmediums oder andere Parameter bei der konstruktiven Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Koppelelements berücksichtigt werden. Bisher wurde lediglich der Weg einer akustischen Welle vom elektromechanischen

Wandlerelement zum Messmedium hin beschrieben. Dem Fachmann geht jedoch eindeutig und unmittelbar aus dem genannten hervor, dass ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen kann. Aus der Auskoppelfläche kann somit nicht nur eine akustische Welle aus dem Koppelelement ausgekoppelt werden, sie kann auch genutzt werden, um eine akustische Welle in das

Koppelelement einzukoppeln. Gleiches gilt natürlich für die Einkoppelfläche und in ähnlicher Weise für die erste Grenzfläche. Selbstverständlich ist auch das elektromechanische

Wandlerelement geeignet, eine akustische Welle in ein elektrisches Signal zu wandeln.

Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Koppelelements in einem Ultraschallwandler als Empfänger könnten beispielsweise der erste Winkel zwischen der Einkoppelfläche und der ersten Grenzfläche und der zweite Winkel zwischen der ersten Grenzfläche und der Auskoppelfläche so gewählt sein und im montierten und damit ausgerichteten Zustand eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts könnten beispielsweise akustische Wellen in das

Koppelelement durch die Auskoppelfläche so eingekoppelt werden, dass ein Anteil der durch die Auskoppelfläche eingekoppelten akustischen Wellen als Transversalwellen zur ersten

Grenzfläche reflektiert werden, und dass ein Anteil der zur ersten Grenzfläche reflektierten Transversalwellen an der ersten Grenzfläche als Longitudinalwellen zur Einkoppelfläche reflektiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Koppelelements 2 sind der erste Winkel α zwischen der Einkoppelfläche 3 und der ersten Grenzfläche 5 und der dritte Winkel γ zwischen der ersten Grenzfläche 5 und der zweiten Grenzfläche 6 so gewählt, dass die Energie des Anteils der an der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten Transversalwellen 1 1 kleiner ist als die Energie des Anteils der an der ersten Grenzfläche 5 zur Auskoppelfläche 4 reflektierten Longitudinalwellen, und/oder die Winkel α und y sind so gewählt, dass die Energie des Anteils der an der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten

Longitudinalwellen 10 wesentlich größer ist als die Energie des Anteils der an der ersten

Grenzfläche 5 zur Auskoppelfläche 4 reflektierten Longitudinalwellen.

Der Anteil an den von der ersten Grenzfläche zur zweiten Grenzfläche reflektierten

Transversalwellen ist sehr klein. Hier in Fig. 2 verläuft die zweite Grenzfläche 6 näherungsweise parallel zu dem von der ersten Grenzfläche 5 zur Auskoppelfläche 4 reflektierten Anteil der Transversalwelle 1 1 und damit ist die Energie des Anteils der an der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten akustischen Transversalwellen quasi Null, da praktische keine Transversalwellen 1 1 von der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektiert werden. Die von der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Longitudinalwellen 10 werden praktisch vollständig auf die zweite Grenzfläche 6 reflektiert und somit treffen näherungsweise keine der von der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Longitudinalwellen 10 direkt auf die Auskoppelfläche 4.

Entsprechend ist der Anteil der von der ersten Grenzfläche zur Auskoppelfläche reflektierten Transversalwellen hoch, hier näherungsweise 100%. Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel α so gewählt, dass die

Amplitude der an der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Longitudinalwellen 10, also der zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten und/oder zur Auskoppelfläche 4 reflektierten

Longitudinalwelle 10, mindestens 10dB, insbesondere mindestens 20 dB unter dem Niveau der Amplitude der an der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Transversalwellen 1 1 , also der durch Modenkonversion entstandenen und zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten und/oder zur

Auskoppelfläche 4 reflektierten Transversalwellen 1 1. Der Winkel γ ist dann beispielsweise so gewählt, dass die Energie der an der zweiten Grenzfläche 6 zurück ins Koppelelement 2 reflektierten Longitudinalwelle minimal ist, d.h. dass ein Reflexionskoeffizient für diese Reflexion ein globales Minimum beim gewählten Winkel γ aufweist.

Für jede der beschriebenen Reflexionen kann ein Reflexionskoeffizient errechnet werden. In Fig. 3 sind die Reflexionskoeffizienten 12 und 13 für eine Transversal- und eine Longitudinalwelle über einen Einfallsswinkel aufgetragen. Der Einfallswinkel beträgt zwischen 0° und 90° und wird zwischen der einfallenden Welle, hier beispielsweise der Longitudinalwelle 10, und dem

Normalenvektor auf die Grenzfläche, hier beispielsweise die erste Grenzfläche 5, gemessen. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Longitudinalwelle 10 senkrecht zur Einkoppelfläche 3 in das Koppelelement 2 eingekoppelt wird und sich entsprechend senkrecht zur Einkoppelfläche 3 auf die erste Grenzfläche 5 ausbreitet, dann ist der Einfallswinkel gleich dem ersten Winkel α zwischen Einkoppelfläche 3 und erster Grenzfläche 5. Die Reflexionswinkel der an der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Transversalwelle 1 1 und Longitudinalwelle 10 ergeben sich dann entsprechend aus den Formeln für die Reflexion. Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Reflexionswinkel der Longitudinal- und Transversalwelle in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Longitudinal- respektive Transversalwelle für eine erste Grenzfläche gebildet aus einem Edelstahl als

Werkstoff des Koppelelements und Luft als das das Koppelelement im Bereich der ersten Grenzfläche umgebende Medium. Die rechte, flacher verlaufende Kurve spiegelt die transversale (T) Reflexion einer einfallenden Longitudinalwelle (L) wieder, die linke, steiler ansteigende Kurve die longitudinale (L) Reflexion einer einfallenden Transversalwelle (T). Auch das Diagramm in Fig. 3 bezieht sich auf diese Materialpaarung, wodurch andere

Materialpaarungen hierdurch nicht ausgeschlossen werden sollen. Der Reflexionskoeffizient wird auch gelegentlich Reflexionsfaktor genannt. Er ist ein Maß für die reflektierte Amplitude der reflektierten Welle und damit ein Maß für die reflektierte Energie oder daraus abgeleitete Größen, wie beispielsweise die Schall-Intensität. Im vorliegenden Beispiel wird die Longitudinalwelle bei einem Einfallswinkel von 0° vollständig als Longitudinalwelle 10 reflektiert. Die erste Grenzfläche 5 würde dann parallel zur Einkoppelfläche 3 verlaufen. Ein Wert für die Reflexion an der ersten Grenzfläche 5 für den Einfallswinkel 90° existiert logischerweise nicht, da die sich von der Einkoppelfläche 3 ausbreitende Longitudinalwelle nicht auf die erste Grenzfläche 5 treffen würde, da beide parallel zueinander verlaufen würden. Das gesagte gilt natürlich auch für die zweite Reflexion an der zweiten Grenzfläche 6 oder jeder anderen Reflexion. Die Figur soll hier nur beispielhaft anhand der ersten Reflexion erklärt werden.

Eine Transversalwelle 1 1 würde bei der gewählten ersten Grenzfläche 5 bei einem Winkel von 45° mit einer Amplitude von dem ca. 0,6-fachen der einfallenden Longitudinalwelle reflektiert werden. Dies stellt das globale Maximum der Kurve des über den Einfallswinkel aufgetragenen Reflexionskoeffizienten der reflektierten Transversalwelle 1 1 dar. Das globale Minimum der Kurve des über den Einfallswinkel aufgetragenen Reflexionskoeffizienten der reflektierten

Longitudinalwelle 1 1 liegt hier bei ungefähr 66°. Dann wird lediglich das ca. 0,04-fache der Energie der auf die erste Grenzfläche 5 einfallenden Longitudinalwelle als Longitudinalwelle 10 reflektiert.

Die erste Grenzfläche 5 und der erste Winkel α sind nun gemäß einer Weiterbildung der

Erfindung so beschaffen, dass eine erste Kurve 12 eines über dem ersten Winkel α

aufgetragenen Reflexionsfaktors der als Transversalwelle 1 1 reflektierten Welle mit einem globalen Maximum existiert und entsprechend eine zweite Kurve eines über dem ersten Winkel α aufgetragenen Reflexionsfaktors der als Longitudinalwelle 10 reflektierten Welle mit einem globalen Minimum existiert, wobei die erste Kurve die zweite Kurve in zwei Punkten schneidet. Gemäß der Weiterbildung der Erfindung ist der erste Winkel α zwischen der Einkoppelfläche und der ersten Grenzfläche zwischen 0° und 90° dann so gewählt, dass er zwischen den

Winkelwerten der zwei Schnittpunkte der über den ersten Winkel aufgetragenen Kurven der jeweiligen Reflexionsfaktoren 12 und 13 der an der ersten Grenzfläche reflektierten

Longitudinalwelle und der an der ersten Grenzfläche reflektierten Transversalwelle liegt.

Gemäß einerweiteren Weiterbildung der Erfindung ist der erste Winkel zwischen der

Einkoppelfläche und der ersten Grenzfläche zwischen 0° und 90° so gewählt, dass er zwischen dem Winkelwert des globalen Minimums der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve 13 des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche reflektierten Longitudinalwelle und zwischen dem Winkelwert des globalen Maximums der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve 12 des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche reflektierten Transversalwelle liegt.

Diese Grenzen stellen für einen Fachmann lediglich Anhaltspunkte dar. Je nach Ausprägung der Kurven sind die Steigungen der Kurven um die beschriebenen Punkte sehr klein oder ein lokales Minimum oder Maximum befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft. Dann kann auch über diese Grenzen hinausgegangen werden, um ein erfindungsgemäßes Koppelelement herzustellen.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Winkel zwischen der Einkoppelfläche und der ersten Grenzfläche zwischen 0° und 90° dem Wnkelwert des globalen Maximums einer über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve aus der Differenz aus der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche reflektierten Transversalwelle und der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche reflektierten Longitudinalwelle entspricht.

Würde also die Differenz aus dem in Fig. 3 aufgetragenen Reflexionsfaktor für die reflektierte Transversalwelle und dem für die reflektierte Longitudinalwelle kontinuierlich zwischen den Grenzen 0° und 90° gebildet und die erhaltene Kurve wiederum über dem Einfallswinkel zwischen den Grenzen 0° und 90° aufgetragen, würde diese Kurve ein globales Maximum besitzen, hier bei einem Einfallswinkel von ungefähr 62°. Das Koppelelement 2 müsste dann entsprechend so konstruiert werden, dass der erste Winkel α zwischen der Einkoppelfläche 3 und der ersten Grenzfläche 5 ca. 62° beträgt. Ein Diagramm mit der über den Winkel α aufgetragener Differenz ist in Fig. 6 zu sehen. In einer Ausführungsform ist der erste Wnkel zwischen der Einkoppelfläche und der ersten

Grenzfläche zwischen 0° und 90° so gewählt, dass er dem Winkelwert des globalen Maximums der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der ersten

Grenzfläche reflektierten Transversalwelle entspricht. Alternativ dazu ist der erste Winkel zwischen der Einkoppelfläche und der ersten Grenzfläche zwischen 0° und 90° so gewählt, dass er dem Winkelwert des globalen Minimums der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche reflektierten Longitudinalwelle entspricht. Je nach Werkstoff des Koppelelements und Material des angrenzenden Mediums und je nach Einfallswinkel der akustischen Welle können auch das Maximum der einen und das Minimum der anderen Reflexion zusammenfallen.

Wie bereits erwähnt gelten ähnliche Beziehungen für die Reflexion an der zweiten Grenzfläche 6 oder an der Auskoppelfläche 4. Der zweite Winkel zwischen der ersten Grenzfläche 5 und der Auskoppelfläche 4 ist entsprechend gewählt. Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, die Winkel γ bei vorgegebenem α so zu wählen, dass die Energie der an der zweiten Grenzfläche 5 zurück ins Koppelelement 2 reflektierte Longitudinalwelle 10 minimal ist, d.h. dass die Winkel α und γ so gewählt sind, dass der

Winkelwert von γ dem Winkelwert des globalen Minimums der über dem Winkel γ aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der zweiten Grenzfläche 5 reflektierten Longitudinalwelle 10 entspricht. Ist beispielsweise der Winkel α so gewählt, dass er dem Winkelwert des globalen Minimums der über dem ersten Winkel aufgetragenen Kurve des Reflexionsfaktors der an der ersten Grenzfläche 5 reflektierten Longitudinalwelle 10 entspricht, so ist auch der dritte Winkel γ so gewählt, dass der Einfallswinkel der an der ersten Grenzfläche 5 zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten Longitudinalwelle auf die zweite Grenzfläche 6 gleich α ist.

Verwendung findet ein erfindungsgemäßes Koppelelement z.B. in Ultraschallwandlern der industriellen Prozessmesstechnik für Hochtemperaturanwendungen, also beispielsweise wenn das Messmedium eine Temperatur größer 150°C oder gar größer 200°C aufweist und die Außenseite der Rohrleitung, auf welcher das Koppelelement angebracht werden soll ein entsprechend ähnlich hohe Temperatur aufweist. Dafür ist ein Koppelelement dann vorteilhaft wenigstens anteilig aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Stahl, legiertem Stahl oder einem Edelstahl, hergestellt. Jedoch sind auch weitere Materialen denkbar, wie beispielsweise Kunststoffe oder Keramiken. Beispielsweise sollten Longitudinalwellen in das Messmedium, beispielsweise über ein Stahlrohr, in einem für die Laufzeitdifferenzmessung benötigten Wnkel eingekoppelt werden, mit einem entsprechenden Einfallswinkel der

Transversalwellen auf die Auskoppelfläche, beispielsweise zwischen 15° und 75°. Dieser Winkel lässt sich insbesondere über die transversale Schallgeschwindigkeit im Koppelelement einstellen, dessen Werkstoff somit entsprechend auszuwählen ist. Die Temperaturfestigkeit des Werkstoffs ist als eine weitere Randbedingung bei dessen Auswahl zu beachten.

In einem Ausführungsbeispiel liegt das Verhältnis von longitudinaler zu transversaler

Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Koppelements zwischen 0,5 und 0,6, insbesondere zwischen 0,54 und 0,57, beispielsweise bei ungefähr 0,56. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes

Koppelelement, wobei ein elektromechanisches Wandlerelement 7 auf der Einkoppelfläche des Koppelelements angeordnet ist. Um das Koppelelement 2 kann der Ultraschallwandler ein Gehäuse aufweisen. Zwischen dem Gehäuse und dem Koppelelement ist dann ein das

Koppelelement umgebendes Medium vorgesehen, beispielsweise ein bestimmtes Gas, eine bestimmte Flüssigkeit oder ein vorgegebener Kunststoff, oder das Gehäuse stellt das Material zur Bildung einer oder beider Grenzflächen bereit. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler ist geeignet zur Verwendung in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät, insbesondere in einem Clamp-On- Ultraschall-Durchflussmessgerät. Bei dem elektromechanischen Wandlerelement 7, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um einen so genannten Dickenschwinger. Das elektromechanische Wandlerelement 7 wird im Dickenmode betrieben, wodurch es mechanische, insbesondere akustische, Longitudinalwellen im Koppelelement erzeugt. In jeden Fall muss das elektromechanische Wandlerelement 7 geeignet sein, mechanische Wellen, insbesondere longitudinale Schallwellen, durch die

Einkoppelfläche in das Koppelelement einzukoppeln.

Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät weist mindestens einen, zur Laufzeitdifferenzmessung mindestens zwei erfindungsgemäße Ultraschallwandler auf. Die zwei Ultraschallwandler eines so ausgestatteten Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts können auf einer Rohrleitung, dann Messrohr, in den gängigen Formen angeordnet werden. Dabei wird die jeweilige Auskoppelfläche mit der Rohrleitung in Verbindung gebracht und akustisch gekoppelt.

Dabei kann die Auskoppelfläche direkt auf die Außenfläche der Rohrleitung montiert werden, wodurch deren Werkstoffe eine Grenzfläche bilden, oder die Auskoppelfläche wird unter

Zwischenlage einer Koppelmatte vorgegebenen Werkstoffs, also insbesondere mit bekannten Schallgeschwindigkeiten im Werkstoff sowohl für eine transversale als auch für eine longitudinale Schallwelle, auf die Rohrleitung montiert. Als weitere Möglichkeit wird zwischen Auskoppelfläche und Rohrleitung eine Koppelpaste oder ein Koppelfett angebracht. Koppelmatten bestehen üblicherweise aus einem Silikonmaterial. Hier könnten sie auch aus einem weichen Metall oder einer Metalllegierung bestehen, wie beispielsweise legierter Stahl oder Edelstahl.

Besteht das Koppelement aus demselben Material wie die Rohrleitung oder aus einem Werkstoff mit akustisch ähnlichen Eigenschaften, ist der Einfluss der Grenzfläche gebildet aus

Auskoppelfläche und Messrohrwand zu vernachlässigen, da der Schall quasi ohne Reflexion durchgeleitet wird. Ansonsten müssten auch diese Grenzflächen bei der Auslegung des

Koppelelements berücksichtigt werden, insbesondere die Grenzfläche gebildet aus

Messrohrwand und Messmedium. Da sich in Flüssigkeiten und Gasen akustische

Transversalwellen nicht oder nur sehr geringfügig ausbreiten und sie dadurch zur Messung des Durchflusses mittels des Laufzeitdifferenzprinzips nicht genutzt werden können, werden die Transversalwellen wieder als Longitudinalwellen in das Messmedium eingekoppelt. Eine Reflexion als Longitudinalwellen ist auch vorher möglich, beispielsweise beim Übertritt aus dem Koppelelement in eine Koppelmatte oder in das Messrohr. Weisen jedoch Messrohr und

Koppelelement gleiche oder ähnliche akustische Eigenschaften auf, so werden die

Transversalwellen erst beim Übertritt in das Medium als Longitudinalwellen reflektiert. Somit wird am wenigsten Energie verloren. Der Werkstoff der Rohrleitung oder zumindest dessen akustische Eigenschaften, wie dessen akustische Impedanz oder Schallgeschwindigkeit, sind daher Vorteilhafterweise bekannt.

Gleiches gilt für das Messmedium. Fig. 4 zeigt nun eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Koppelelements 2. Der Stand-Off ist hier so ausgestaltet, dass die zweite Grenzfläche 6 in einer Ebenen parallel zur Ebene der Auskoppelfläche 4 liegt, versetzt in Richtung des Normalenvektors auf die Ebene der Auskoppelfläche 4. Die longitudinalen und/oder transversalen mechanischen Wellen, welche zurück in das Koppelelement reflektiert werden, werden in einen Bereich 15 mit hoher Dämpfung von longitudinalen und/oder transversalen mechanischen Wellen des Koppelelements reflektiert. Insbesondere werden in diesen schallabsorbierender Bereich 15 des Koppelelements 2 die von der zweiten Grenzfläche reflektierten Longitudinalwellen hinreflektiert und/oder die von der Auskoppelfläche reflektierten Longitudinal- und/oder Transversalwellen. Zusätzlich oder alternativ dazu werden die longitudinalen und/oder transversalen Wellen, welche zurück in das

Koppelelement reflektiert werden, insbesondere also die an der zweiten Grenzfläche

zurückreflektierten Longitudinalwellen, auf eine dritte Grenzfläche reflektiert, insbesondere näherungsweise senkrecht auf die dritte Grenzfläche reflektiert, wo sie ohne weitere Reflexion zurück in das Koppelelement 2 aus dem Koppelelement 2 austreten. Dann läge ein so genannter Totalübertritt vor. Auch an der zweiten Grenzfläche 6 kann bereits ein großer Anteil an auftreffenden Longitudinalwellen 10 aus dem Koppelelement 2 durch Reflexion nach Außen austreten.

Die in Fig. 4 dargestellte Konstruktion führt dazu, dass die zur zweiten Grenzfläche 6 reflektierten Longitudinalwellen 10 zu einem gewissen Anteil zur ersten Grenzfläche 5 zurückreflektiert werden und von dieser wiederum ein großer Anteil zur Einkoppelfläche 3 und dem

elektromechanischen Wandlerelement 7 reflektiert wird. Diese Longitudinalwellen 10 können störend und somit nachteilig für die eigentliche Messung empfunden werden, jedoch könnte aus der Laufzeit dieser zur Einkoppelfläche 3 und damit zum elektromechanischen Wandlerelement 7 reflektierten akustischen Wellen, die Temperatur im Koppelelement 2 errechnet werden. Der Stand der Technik beschreibt die Berechnung der Temperatur bereits ausführlich.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die zweite Grenzfläche gekrümmt. Dadurch lassen sich die an der zweiten Grenzfläche zurück in das Koppelelement reflektierten Wellen auf den schalldämpfenden Bereich des Koppelelements fokussieren, wodurch dieser kleiner ausgestaltet werden könnte. Gemäß einerweiteren Ausgestaltung ist die erste Grenzfläche gekrümmt, insbesondere so gekrümmt ist, dass die von der ersten Grenzfläche zur Auskoppelfläche reflektierten

Transversalwellen zur Auskoppelfläche hin gebündelt werden. Natürlich kann auch die

Auskoppelfläche selbst gekrümmt sein, um beispielsweise die Schallwellen im Messmedium in der Rohrleitung zu fokussieren oder um sie der Oberfläche der Rohrleitung anzupassen. Bezugszeichenliste

1 Ultraschallwandler

2 Koppelelement

3 Einkoppelfläche

4 Auskoppelfläche

5 Erste Grenzfläche

6 Zweite Grenzfläche

7 Elektromechanisches Wandlerelement

8 Messrohr

9 Messrohrwand

10 Longitudinalwelle

1 1 Transversalwelle

12 Kurve des Reflexionskoeffizienten der Transversalwelle

13 Kurve des Reflexionskoeffizienten der Longitudinalwelle

14 Schalldämpfender Bereich