Verfahren und Messsystem zur Bestimmung und/oder überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung und/oder überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten Ultraschaüsensor und zumindest einem zweiten UltraschalSsensor, welcher erste Ultraschaiisensor mindestens ein eiektromechanisches Ultraschall-Wandierelement aufweist und in einem ersten Bereich des Messrohrs angebracht ist und weicher zweite Ultraschallsensor mindestens zwei elektromechanische Ultraschall- Wandlerelemente aufweist und in einem zweiten Bereich des Messrohrs so angebracht ist, dass die vom ersten Ultraschallsensor durch das Messmedium gesendeten Ultraschallsignale vom zweiten Ultraschallsensor empfangen werden und dass die vom zweiten Uftraschailsensor durch das Messmedium gesendeten Uitraschallsignale vom ersten Ultraschailsensor empfangen werden, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Uitraschail- Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Ultraschall-Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens ermittelt und ein entsprechendes Messεystem.

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

Die bekannten Uitraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppieroder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.

Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschailimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet.

Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz

lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrieitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.

Beim Doppier-Prinzip werden Ultraschailwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen άen eingekoppeiten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.

Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbiäschen oder

Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.

Die Ultraschallwelien werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrieitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Ciamp-on- Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , 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 kurzen Ultraschailimpulsen ermittelt.

Ein großer Vorteil von Clamp-On-Uitraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Nachteilig ist ein hoher Aufwand bei der Montage der Clamp- On-Systeme, um die einzelnen Ultraschallwandier gegenseitig auszurichten, was von vielen Parametern, wie z.B. Rohrwanddicke, Rohrdurchmesser, Schallgeschwindigkeit im Messmedium, abhängt.

Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen

Wandler, in der industriellen Prozessmesstechnik meist eine Piezokeramik, und einer

Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt. Im elektromechanischen Wandlerelement werden die UltraschallweNen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Sneil ^' schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.

Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppetschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des UltraschaNsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.

In zahlreichen Quellen, z.B. in der DE 10 2006 029 199 B3, wird die Durchflussgeschwindigkeit eines Messmediums in einem Messrohr über die Verwehung eines Ultraschalisignals durch die Strömung des Messmediums im Messrohr bestimmt.

In der WO 2007/039394 A2 ist ein Ultraschalldurchflussmessgerät offenbart mit zumindest einem Uitraschaliwandler in einem ersten Bereich des Messrohrs und zumindest zwei UltraschaNwandlern in einem zweiten Bereich. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Wandler im zweiten Bereich zu dem im ersten Bereich ergibt sich ein Laufzeitunterschied der Ultraschallsignale. Dieser Laufzeitunterschied wird zur Berechnung des Durchflusses herangezogen. Nachteilig ist, dass der Ultraschailwandler im ersten Bereich des Messrohrs ein energieaufwendiges Signal mit großer Signalstärke und breitem

Signalöffnungswinkel erzeugen muss, damit das Signa! die beiden anderen Ultraschallwandler im zweiten Bereich des Messrohrs erreicht.

Die DE 102 21 771 A1 zeigt einen Ultraschallsensor für ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit mehreren Piezoelementen, weiche zu so genannten einem Piezo-Array zusammengefasst sind, welche Piezoelemente zeitversetzt ansteuerbar sind. Dadurch ist es möglich, mit einem flach auf die Messrohrwand angebrachten Ultraschallsensor, unterschiedliche Winkel des in das Messmedium eingestrahlten Ultraschallsignals mit einer Weitenfront zur Messrohrsachse zu erreichen. Das zeitversetzte Ansteuern ist jedoch sehr rechenaufwendig. Auch die Veränderung des Winkels ist nur in einem eingeschränkten Bereich sinnvoll. Wird das Ultraschalisignai sehr flach eingestrahlt, kann es zur Anregung von Longitudinalweüen kommen und die Transmission durch die Rohrwand verringert sich und ein wesentlicher Anteil der Schallwelle wird reflektiert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein entsprechendes Durchfluss-Messsystem bereit zu stellen, dessen Sensoren an einer Rohrleitung anbringbar sind und keiner aufwendigen gegenseitigen Ausrichtung bedürfen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten Ultraschallsensor und zumindest einem zweiten Ultraschalisensor, welcher erste Ultraschallsensor mindestens ein elektromechanisches Ultraschall- Wandlerelement aufweist und in einem ersten Bereich des Messrohrs angebracht ist und welcher zweite Ultraschalisensor mindestens zwei elektromechanische UltraschaJi-Wandierelemente aufweist und in einem zweiten Bereich des Messrohrs so angebracht ist, dass die vom ersten Ultraschallsensor durch das Messmedium gesendeten Ultraschallsignale vom zweiten Ultraschalisensor empfangen werden und dass die vom zweiten Ultraschalisensor durch das Messmedium gesendeten UftraschallsignaSe vom ersten Ultraschalisensor empfangen werden, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Uitraschall- Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Ultraschali-Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens ermittelt, wobei während einer Diagnosephase Ultraschallsignale vom ersten Ultraschailsensor durch das Messmedäum zum zweiten Ultraschalfsensor gesendet werden und von

den empfangenen Ultraschallsignalen für jedes elektromechanische Ultraschall- Wandierelement des zweiten Ultraschallsensors mindestens eine Prozessgröße ermittelt und/oder abgeleitet wird und aufgrund der Prozessgröße der empfangenen Ultraschallsignale die in einer nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Uitraschallsensors ausgewählt werden. Es wird also zwischen einer Diagnosephase und einer Messphase unterschieden. In der Diagnosephase werden die Ultraschall- Wandlerelemente, welche während der Messphase für die Messung Ultraschallsignale senden und/oder empfangen bestimmt.

üblicherweise weisen die Ultraschallsensoren Koppelelemente auf, die einen Winkel zwischen den auf ihnen angebrachten Ultraschall-WandSerelementen und der Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr, welche meist näherungsweise axial zur Mittelachse des Messrohrs verläuft, herbeiführen. So erhält das Ultraschallsigna! zwischen den Sensoren eine Richtungskomponente in und/oder entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr. In bestimmten Formen konditionierter Strömung lässt sich ein Ultraschallsigna! senkrecht zur Rohrwand oder Rohrachse einstrahlen und dennoch kann mittels des Laufzeitdifferenzverfahrens der Durchfluss bestimmt werden.

Die Sensoren werden in verschiedenen Bereichen des Messrohrs montiert bzw. installiert. Bei Clamp-On-Systemen werden die Sensoren auf gegenüberliegenden Seiten der Messrohraußenwand von außen angebracht oder sie befinden sich auf der gleichen Seite des Messrohrs und das Signal wird auf der den Sensoren gegenüberliegenden Seite der Messrohrwand reflektiert, bevorzugt mit einem

Reflektor auf der Innenseite des Messrohrs. Bei Inline-Systemen befinden sich die Sensoren meist auf festen Plätzen, fest in oder mit der Messrohrwand verbunden.

Die während der Diagnosephase ermittelten Prozessgrößen sind insbesondere die Signalstärke des empfangenen Ultraschallsignals, dessen Amplitude, dessen

Phasenlage, die Einhüllende oder die übertragungsfunktion. Ableitbare Größen sind z.B. die Intensität oder die Laufzeit des Ultraschallsignals.

Bei dem elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelement handelt es sich bevorzugt um ein piezoelektrisches Element. Es sind aber auch eietrostriktive und/oder magnetostriktive Elemente in der Lage, geeignete Ultraschallsignale zu erzeugen und/oder zu empfangen.

Ein erster Ultraschallsensor mit mindestens einem elektromechanischen Ultraschall- Wandlerelement wird in einem ersten Bereich des Messrohrs angebracht. Relativ dazu wird ein zweiter Uitraschallsensor in einem zweiten Bereich des Messrohrs angebracht. Bei Clamp-On-Systemen werden beide Sensoren außen an der Messrohrwand befestigt. Die Sensoren werden grob zueinander ausgerichtet, d.h. ihr Abstand wird nach einer bestimmten Vorschrift, z.B. im Abstand von der Größe des Durchmessers des Messrohrs, grob bzw. in groben Schritten eingestellt. Der Aufwand für diese Einrichtung ist sehr gering im Vergleich zum Stand der Technik.

Durch änderungen von Messmediumsparametern, z.B. des Messmediums selbst oder dessen Temperatur, verändern sich nun u.a. die Brechungswinkel der Ultraschallsignale. Dies würde im Stand der Technik eine Neuausrichtung der Sensoren zueinander erfordern. Alternativ wäre die Signalintensität zur Bestimmung des Durchflusses geringer und/oder die Messergebnisse mit einem größeren Fehler behaftet.

Hier wird jedoch die optimale Kombination von Ultraschall-Wandlerelementen der Sensoren für die Messung bestimmt. Bereits eine nicht optimale Kombination kann für die Messung benutzt werden, jedoch äst diese Messung mit einer größeren Unsicherheit behaftet.

Während der Diagnosephase sendet z.B. alternierend genau ein Ultraschall- Wandlerelement Ultraschallsignale ab. Die aus den empfangenen Ultraschallsignalen ermittelten und/oder abgeleiteten Parameter werden für die empfangenden Ultraschall-Wandlerelemente einzeln bestimmt. Dies kann in lediglich einer Richtung, d.h. also vom ersten zum zweiten Ultraschallsensor, geschehen. Alternativ dazu können Ultraschallsignale in beiden Richtungen stromaufwärts und stromabwärts in die Diagnose einfließen, da eine Phasenverschiebung zwischen dem Signal mit Richtungskomponente in Hauptströmungsrichtung des Messmediums

im Messrohr und dem UltraschaNsigna! mit Richtungskomponente entgegen Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr auswertbar ist.

Die Diagnosephase besteht dann darin, die Prozessgrößen aller möglichen Kombinationen von Ultraschall-Wandlerelementen in beide Richtungen zu ermitteln und/oder abzuleiten. Somit ist am Ende dieser Phase ein Datensatz mit einer Beschreibung der Messergebnisse aller Kombinationen während der Diagnosephase vorhanden. Mittels der gewünschten Prozessgrößen wird nun die bestmögliche Kombination ausgewählt und die Prozessgrößen als Referenzwerte gespeichert. Diese stehen nun immer zum Vergleich mit einer aktuellen Messung zur Verfügung.

Erst nach Festlegung der für die Messung aktiven Sensoren beginnt die eigentliche Messung. Die Diagnosephase ist vor und nach jeder Messung möglich, aber auch während einer Messphase kann die Auswahl άer in der nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente erfolgen. Mittels anderer Sendefrequenzen und/oder anderen Pulsfolgen ist diese Auswahl beispielsweise möglich, ohne den Messbetrieb zu stören. Da eine Durchflussmessung mit der Auswertung einzelner Ultraschall-Pakete erfolgt, können entweder diese Messungen direkt mit den gespeicherten Referenzgrößen verglichen werden oder es erfolgt zwischen zwei Paketen der Durchflussmessung ein oder mehrere Messungen zur Diagnose.

Durch diese Anordnung lässt sich zusätzlich die Schallgeschwindigkeit im Messmedium leicht bestimmen. Bei bekanntem Messmedium kann so auf dessen Temperatur geschlossen werden oder bei bekannter Temperatur kann somit eine Messmediumsänderung detektiert werden.

Weitere Strategien zur beschleunigten Diagnose bestehen u.a. darin, dass nicht alle Kombinationen an Uitraschall-Wandlerelementen gemessen werden. Bei zwei Ultraschallsensoren mit sehr vielen Wandlerelementen bietet sich an, die

Kombination mit dem geringsten Abstand senkrecht zur Rohrachse zueinander, die Kombination mit dem größten Abstand senkrecht zur Rohrachse zueinander und eine dazu mittlere Kombination auszuwählen. Die Abstände werden dann iterativ auf der Seite der günstigeren Prozessgrößen halbiert.

Die Diagnose kann sowohl bei fließendem Messmedium, als auch bei einem so genannten Nulldurchfluss, d.h. also bei stehendem Messmedium im Messrohr stattfinden. Vorteilhaft wird die Diagnose bei einem im Messrohr strömenden Messmedium vorgenommen, da hierbei ein Störsignal, z.B. hervorgerufen durch eine so genannte Rohrwelle, also ein Ultraschailsignal im Messrohr selbst bzw. der Messrohrwand, von dem Nutzsignal, also dem Ultraschallsignal zur Diagnose, besser unterscheidbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass während der Diagnosephase die in der nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlereiemente des zweiten Ultraschailsensors nach der größten Signalstärke der empfangenen Ultraschallsignale ausgewählt werden.

Das Uitraschall-Wandlerelement oder die Ultraschail-Wandlerelemente mit der größten empfangenen Signalstärke werden ausgewählt. Eine Variante besteht darin, dass das Uitraschall-Wandlerelement ausgewählt wird, welches die größte Signalstärke empfängt. Da sich viele Ultraschall-Wandlerelemente aber sowohl zum senden und/oder zum Empfangen von Ultraschallsignalen zusammenschließen lassen, ist es sehr vorteilhaft, mehrere Uitraschall-Wandlerelemente zusammen zu schließen, insbesondere das ausgewählte Ultraschall-Wandiereiement und seine direkten Nachbarn und/oder weitere nebeneinander liegende Ultraschall- Wandlerelemente.

Besonders vorteilhaft weisen die Ultraschallsensoren jeweils Anpassungsschichten zwischen Koppelelementen und Ultraschall-Wandlerelementen auf, welche, wie ein Filter, so ausgestaltet sind, dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Einbzw. Ausstrahlrichtung der Uitraschall-Messsignale orientiert sind, die Anpassungsschichten näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- und/oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von den Anpassungsschichten weitgehend gedämpft werden.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass der erste Ultraschallsensor mindestens zwei eiektromechanische Ultraschall-Wandlerelemente aufweist und während der Diagnosephase die in einer nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall- Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors ausgewählt werden.

Die Auswahl erfolgt z.B. aufgrund der Sägnalstärke der vom zweiten Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignale des ersten Sensors und/oder der Signalstarke der vom ersten Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignale, welche vom zweiten Ultraschallsensor gesendet wurden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der Diagnosephase die in der nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschail-Wandlereiemente des zweiten Ultraschallsensors nach der optimalen Phasendifferenz zwischen Senden und Empfangen der empfangenen Ultraschallsignaie ausgewählt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der Diagnosephase die in der nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors nach der optimalen Phasendifferenz zwischen dem vom zweiten Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignal und dem vom ersten Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignal ausgewählt Das Ultraschallsignal, welches vom ersten Ultraschallsensor gesendet und vom zweiten Ultraschailsensor empfangen wird, hat dabei mindestens eine Richtungskomponente in oder entgegen der

Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr und das Ultraschallsignal, welches vom zweiten Ultraschallsensor gesendet und vom ersten Ultraschallsensor empfangen wird, ist dem gegenläufig. Genutzt wird dabei, dass es durch die Strömung des Messmediums zu Phasendifferenzen in bestimmten zeitlichen Abschnitten der beiden Ultraschalisignale, in und entgegen der Strömung, kommt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der Diagnosephase die in der nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors

nach der optimalen übertragungsfunktion der empfangenen Ultraschallsignale ausgewählt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung werden mehrere elektromechanische Ultraschail-Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors gleichzeitig aktiviert und/oder mehrere elektromechanische Ultraschall-Wandierelemente des zweiten Ultraschallsensors werden gleichzeitig aktiviert. Dies ist besonders vorteilhaft bei direkt nebeneinander liegenden Ultraschall-Wandlerelementen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweils aktiven elektromechanischen Ultraschall- Wandlerelemente von mindestens einem M ultiplexer geschaltet, wobei der Multiplexer von der Regel-/Auswerteeinheit gesteuert wird und wobei die elektromechanischen Ultraschail-Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors und die elektromechanischen Ultraschall-Wandierelemente des zweiten Ultraschallsensors mit der Regel-/Auswerteeinheit verbunden sind. Neben dem bekannten Selektionsschaltnetz, zur Auswahl eines einzigen Signals, ist ein Multiplexer hierbei auch eine Schaltereinheit aus mehreren, unabhängig voneinander steuerbaren einzelnen Schaltern.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die während der Diagnosephase erfasste Prozessgröße gespeichert wird und dass während der Messphase die gespeicherte Prozessgröße mit der aktuell erfassten Prozessgröße verglichen wird, wobei bei überschreiten einer bestimmten Abweichung der gespeicherten Prozessgröße von der aktuell erfassten Prozessgröße eine erneute Diagnosephase eingeleitet wird. Der Vergleich ist mit einer und/oder mit mehreren erfassten Prozessgrößen möglich. Die Berechnung des Durchflusses kann beispielsweise mittels der Phasenverschiebung von Sender zu Empfänger jeweils in und entgegen der Durchflussrichtung erfolgen, während die optimale Kombination an Ultraschail-Wandlerelementen mittels der Signalstärke bestimmt wird. Wie oben beschrieben, kann die Kombination der Ultraschall- Wandierelemente aber auch mit der Phasenverschiebung ermittelt werden.

Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Messsystem zur Bestimmung und/oder überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten Uitraschatlsensor und zumindest einem zweiten Ultraschallsensor, welcher erste Uitraschallsensor mindestens ein eiektromechanisches Ultraschall-Wandlerelement aufweist und in einem ersten Bereich des Messrohrs anbringbar ist und welcher zweite Uitraschallsensor mindestens zwei eiektromechanische Ultraschall-Wandlerelemente aufweist und in einem zweiten Bereich des Messrohrs so anbringbar ist, dass die vom ersten Uitraschallsensor durch das Messmedium sendbaren Ultraschallsignale vom zweiten Uitraschallsensor empfangbar sind und dass die vom zweiten Uitraschallsensor durch das Messmedium sendbare Ultraschallsignale vom ersten Ultraschaflsensor empfangbar sind, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, welche anhand der Ultraschall-Messsignale bzw. anhand von Messdaten, welche aus den Ultraschall-Messsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom des in dem Messrohr strömenden Messmediums mittels eines

Laufzeitdifferenzverfahrens ermittelt, wobei während einer Diagnosephase UitraschaSIsignale vom ersten Uitraschallsensor durch das Messmedium zum zweiten Uitraschallsensor sendbar sind und von den empfangbaren UStraschallsignalen für jedes eiektromechanische Ultraschall-Wandlerelement des zweiten Uttraschallsensors mindestens eine Prozessgröße ermittelbar und/oder ableitbar ist und aufgrund der Prozessgröße der empfangbaren Ultraschallsignale die in einer nachfolgenden Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall- Wandlereiemente des zweiten Ultraschalisensors auswählbar sind.

Dabei werden die Ultraschall-Wandlerelemente von der Regel-/Auswerteeinheit angesteuert. Bei mehreren Ultraschall-Wandlerelementen auf einem Uitraschallsensor werden die Signale beispielsweise über mindestens einen Multipiexer geleitet. Dieser Multipiexer wird dann ebenfalls von der Regel- /Auswerteeinheit gesteuert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems weist der erste Ultraschallsensor mindestens zwei eiektromechanische Ultraschali- Wandlerelemente auf und während der Diagnosephase sind die in einer

nachfolgenden Messphase aktiven eiektromechanischen Ultraschall- Wandlerelemente des ersten Ultraschaüsensors auswählbar.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems ist darin zu sehen, dass die Messsignale der eiektromechanischen Ultraschall- Wand lerelemente bzw. die von den Messsignalen ableitbaren Messdaten von genau einer Rege!-/Auswerteeinheit auswertbar sind, wobei die aktiven eiektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente mittels mindestens eines Multiplexers von der Regel-/Auswerteeinheit steuerbar sind.

Die Schaltung der aktiven Ultraschall-Wandlerelemente ist von mindestens einem Multiplexer steuerbar. Die Regel-/Auswerteeinheit, welche die Signale der UltraschaN-Wandlerelemente empfängt und verarbeitet, steuert den Multiplexer. Die Kombination der aktiven Ultraschall-Wandlerelemente wird gemäß dem beschriebenen Verfahren erhalten. Die einzelnen Ultraschali-WandSereiemente senden nacheinander ein vorgegebenes Signal aus. Die erfassten Prozessparameter werden ausgewertet und die Regel-/Auswerteeinheit entscheidet aufgrund der festgelegten Kriterien, weiche Kombination an Ultraschall-Wandlerelementen in der Messphase aktiviert wird. Neben dem bekannten Selektionsschaltnetz, zur Auswahl eines einzigen Signals, ist ein Multiplexer hierbei auch eine Schaltereinheit aus mehreren, unabhängig voneinander steuerbaren einzelnen Schaltern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Ultraschallsensor und der zweite Ultraschallsensor über eine lösbare Verbindung miteinander verbindbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen der erste Ultraschallsensor und der zweite Ultraschallsensor in gemeinsames Gehäuse auf. Damit wird lediglich das Gehäuse parallel zur Rohrachse und senkrecht über der Rohrmitte ausgerichtet. Das Gehäuse kann dabei einer definierten Gehäuseschutzart entsprechen, z.B. ist es staub-, gas- und/oder wasserdicht. Zusätzlich kann das Gehäuse keine außen liegende bewegliche Teile aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Koppelelement integraler Bestandteil des ersten Koppeieiements. Beide Ultraschallsensoren verfügen somit über ein einziges monolithisches Koppelelement.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems schlägt vor, dass die elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors je eine erste Fläche zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen aufweisen, welche erste Flächen einen ersten Flächeninhalt aufweist, und welche elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors je eine zweite Fläche zum Senden und/oder Empfangen von Uitraschallsignalen aufweisen, welche zweiten Flächen einen zweiten Flächeninhalt aufweist, wobei der erste Flächeninhalt ungleich des zweiten Flächeninhalt ist. So bilden z.B. mehrere elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors zusammen genommen die Fläche eines elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelements des ersten Ultraschallsensors. Die Größen der Flächen der elektromechanischen Uitraschall-Wandleretemente des ersten Ultraschallsensors und die der elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors stehen in einem Verhältnis ungleich eins zueinander. Bevorzugte Verhältnis betragen z.B. neun zu zehn oder neunzehn zu zwanzig usw.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems sieht vor, dass die elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors näherungsweise konstante erste Abstände aufweisen und dass die elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors näherungsweise konstante zweite Abstände aufweisen, wobei die ersten Abstände ungleich der zweiten Abstände sind.

Die Abstände beziehen sich dabei üblicherweise auf die Flächenmättelpunkte der Uϊtraschall-Wandlereϊemente. Als Flächenmitteipunkt wird in diesem Zusammenhang der geografische Mitteipunke oder auch der Schwerpunkt der Fläche bezeichnet. Wächtig ist weniger die Berechnung des Flächenmittelpunkts als solchem, sondern vielmehr, dass die Flächenmittelpunkte für alle Ultraschali-Wandlerelemente gleichermaßen berechnet werden. Dabei stehen die ersten Abstände der elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des ersten Ultraschallsensors

und die zweiten Abstände der elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des zweiten Ultraschallsensors in einem Verhältnis ungleich eins zueinander. Bevorzugte Verhältnis betragen z.B. neun zu zehn oder neunzehn zu zwanzig usw.

Mit den vorgenannten Verhältnissen wird eine Aufteilung nach dem Vorbild eines Nonius erreicht. Es sind durch die vielen Kombinationsmöglichkeiten an aktiven Ultraschatl-Wandlerelementen unterschiedlichste Abstände zwischen diesen realisierbar. So können auch kleine änderungen von Prozessparametern kompensiert werden, welche im Stand der Technik zu einem Signaigüteverlust führen oder eine Neujustierung der Sensoren zueinander erforderlich machen würden.

Bei einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere eiektromechanische Ultraschall-Wandlerelemente gleichzeitig aktivierbar.

Mehrere, insbesondere nebeneinander liegende, eiektromechanische Ultraschall- Wandlerelemente sind dann gleichzeitig aktivierbar, d.h. sie sind sendebereit und/oder empfangsbereit.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems wird vorgeschlagen, dass der erste Ultraschallsensor ein Koppelelement aufweist, welches so ausgestaltet ist, dass ein vom elektromechanischen Uitraschail- Wandlerelement gesendetes UltraschaNsignal eine Richtungskomponente in oder entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr aufweist und/oder dass der zweite Ultraschallsensor ein Koppelelement aufweist, welches so ausgestaltet ist, dass ein vom elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelement gesendetes Ultraschaflsignal eine Richtungskomponente in oder entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr aufweist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die in der Messphase aktiven elektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente des ersten UltraschaNsensors und/oder des zweiten Ultraschallsensors, von außen, also von einer externen Einheit, auswählbar sind, z.B. vom Anwender selbst über eine entsprechende Schnittstelle oder von einem externen Feldgerät, über einen

analogen Frequenz- oder Stromeingang, elektromechaπisch über Schalter oder digital über ein Signal einstellbar ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Messrohr mit erfindungsgemäßem Messsystem, Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Verteilerschaltung, Fig. 3 zeigt im Längsschnitt zwei Ultraschallsensoren eines erfindungsgemäßen

Messsystems,

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Verteiierschaltung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 mit zwei Ultraschalisensoren 2, 3, welche auf einem Messrohr 4 angebracht sind, dargestellt. Beide Ultraschalisensoren 2, 3 verfügen über eine Mehrzahl an Ultraschall- Wandlerelementen 6.1-6.6, 7.1 -7.6. Es handelt sich also um so genannte

Wandlerarrays, nicht zu verwechseln mit Arrays in einzelnen Sensoren. Mit einer einzigen Kombination von einzeln betreibbaren Ultraschail-WandlereSementen 6.1 - 6.6, 7.1 -7.6 lässt sich die Durchflussmessung durchführen. Die Auswahl und Positionierung der Sensoren 2, 3 wird durch die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten erleichtert.

Die Ultraschalisensoren 2, 3 sind auf der gleichen Außenseite des Messrohrs 4 angebracht. Ihre Ultraschall-Wandierelementen 6.1 -6.6, 7.1-7.6 stehen sich in einem Winkel so gegenüber, dass das von ihnen abgestrahlte Ultraschallsignal 10 durch das Messmedium 5 zum jeweils anderen Ultraschallsensor 2, 3 geleitet wird. Eine Richtungskomponente des Ultraschallsignals 10 zeigt dabei in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Messmediums 5 im Messrohr 4. Somit lässt sich bei gegenseitigem Senden und Empfangen eine Laufzeitdifferenz messen, über welche die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums 5 im Messrohr 4 und damit der Durchfluss bestimmt werden kann.

Die UltraschaSI-Wandlerelemente 6.1-6.6 haben dabei einen Abstand 11 zueinander. Die Ultraschall-Wandlerelemente 7.1-7.6 weisen hingegen einen Abstand 12 zueinander auf. Die Abstände 11 , 12 gelten dabei als näherungsweise konstant, sind

jedoch nicht gleich. In diesem Ausführungsbeispiel betragen die Abstände 11 10mm und die Abstände 12 9mm.

Der Diagnosephase des Messsystems 1 geht der Aufbau des Messsystems 1 voran. Zuerst werden die Clam-On-Ultraschalisensoren 2, 3 an der Außenseite des

Messrohrs 4 aufgeschnallt. Danach erfolgt das Anschalten und in Betrieb nehmen des Messsystems 1.

Während der Diagnosephase wird einer nach dem anderen der Ultraschall- Wandlerelemente 6.1-6.6 angesteuert bzw. aktiviert und zum Senden eines vorgebaren Uitraschalisignals angeregt. Dabei wird z.B. die Signalstärke der empfangenen Ultraschallsignale für jedes Ultraschall-Wandlerelement 7.1-7.6 einzeln gemessen. Dies kann sowohl zeitlich nacheinander, d.h. durch sequentielles Messen aller möglichen Kombinatäonen, als auch gleichzeitig erfolgen. Es stehen sozusagen alle Ultraschall-Wandierelemente 7.1 -7.6 auf Empfang, während ein bestimmtes Ultraschall-Wandiereϊement 6.1-6.6 sendet. Mit der Dargestellten Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems 1 ist jedoch nur das sequentielle Messen möglich.

Danach kann die gleiche Prozedur in anderer Richtung wiederholt werden, d.h. die Ultraschall-Wandlerelemente 7.1-7.6 senden und die Uitraschall-Wandlerelemente 6.1-6.6 empfangen. Das Optimale Paar, welche z.B. die maximale Signalstärke gewährleistet, wird für die Messung ausgewählt. Die gemessenen Prozessparameter werden gespeichert. Während der Messphase werden lediglich die ausgewählten Ultraschall-Wandlereiemente 6.1 -6.6, 7.1 -7.6 aktiviert, um den Durchfluss zu bestimmen. Gleichzeitig können die anderen Ultraschall-Wandierelemente 6.1-6.6, 7.1-7.6 weiterhin, z.B. mit einer wesentlich zur Messfrequenz unterschiedlichen Frequenz angeregt werden. Somit kann während der Messphase weiter nach Veränderungen der Messbedingungen gesucht werden, die ein ändern des optimalen UltraschalS-Wandierelemente-Paars erforderlich machen könnte. Eine solche Veränderung der Messbedinungen kann z.B. dadurch erkannt werden, dass die gespeicherten Prozessparameter von den gemessenen in einer gewissen Art und Weise abweichen, z.B. durch Unter- oder überschreiten eines Schwellwerts, oder dadurch dass ein anderes Paar von Ultraschall-Wandlerelementen 6.1-6.6, 7.1-7.6

Prozessparameter liefert, z.B. eine höhere Signalstärke. Die Diagnose kann aber auch zeitlich getrennt von der Messphase stattfinden.

Die Informationen über die laufenden Mess- und/oder Diagnosephasen und/oder deren Ergebnisse bzw. Erkenntnisse können auch, z.B. auf einem Display, angezeigt werden oder ein Alarmsignal kann ausgegeben werden, falls sich die Messbedingungen ändern.

Die Ultraschallsensoren 2, 3 sind dabei, wie in Fig. 2 gezeigt, mit Multiplexern 9.1-9.4 verbunden, die jeweils zwei gegenüberstehende Ultraschall-Wandlerelemente 6.1 - 6.6, 7.1 -7,6 aktiv schalten. Gesteuert werden die Multiplexer 9.1 -9.4 von der Regel- /Auswerteeinheit 8.

Die Ultraschall-Wandlerelemente 6.1-6.6, 7.1-7.6 sind in Fig. 2 nur schematisch gezeichnet. Es wird jeweils nur eine Kombination, d.h. ein Paar an Ultraschall- Wandlerelementen 6.1-6.6, 7.1-7.6 aktiviert, d.h. nur ein Ultraschall-Wandiereiement 6.1 -6.6 sendet und ein Ultraschall-Wandlerelement 7.1-7.6 empfängt und/oder umgekehrt. Der Vorteil liegt in der geringen zu verarbeitenden Datenmenge. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 muss immer nur ein Signal verarbeiten. Die Steuerung der Multiplexer 9.1-9.4 wird ebenfalls Regei-/Auswerteeinheit 8 übernommen. Die

Ansteuerung der einzelnen Ultraschall-Wandiereiemente 6.1 -6.6, 7.1 -7.6 durch die Multiplexer 9.1-9.4 erfolgt jedoch sehr schnell. Dadurch ist dieses System 1 sehr wenig fehleranfällig, kostengünstig und dennoch hochgenau und schnell.

Um mehrere Ultraschall-Wandlerelemente 6.1-6.6, 7.1-7.6 gleichzeitig zu aktivieren, müsste mindestens einer der dargestellten Multiplexer 9.3, 9.4 durch eine Vielzahl von einzeln steuerbaren Schalten ersetzt werden, wie in Fig. 5 gezeigt. Als Muitiplexer wird hier generell eine Schaltereinheit aus mehreren, unabhängig voneinander steuerbaren einzelnen Schaltern verstanden. Zusätzlich verfügt diese Schaltung über eine Schnittstelle 17. Diese ist zur Kommunikation mit einer Steuereinheit, z.B. zum anbinden an einen Bus oder es handelt sich um eine Mensch-Maschine-Schnittstelle.

Fig. 3 offenbart ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 mit zwei sich gegenüberstehenden, auf derselben Seite des Messrohrs 4 befestigten Ultraschaüsensoren 2, 3. Auch hier weisen die Koppelelemente 13, 14 einen Winkel zwischen den Ultraschall-Wand lerelementen 6, 7.7-7.21 und dem Messrohr 4 auf, so dass die, hier der übersichtlichkeit halber nicht dargestellten, UStraschallsignale eine Richtungskomponente in Hauptströmungsrichtung des Messmediums im Messrohr 4 aufweisen.

Während der Diagnosephase sendet der Ultraschallwandler 2 Ultraschallsignale zum Ultraschallwandler 3 und umgekehrt. Hier soll der Einfachheit wegen nur der erste Fall betrachtet werden. Die von den Ultraschall-Wandlerelementen 7.7-7.21 empfangenen Signalstärken und/oder weitere Prozessparameter werden miteinander verglichen und das Ultraschall-Wandlerelement 7.7-7.21 an dem die für die Messung geeignetsten Prozessparameter anliegen, wird für die Messung ausgewählt und somit der Signalpfad für die Messung festgelegt. Aber auch der Zusammenschiuss mehrerer nebeneinander liegender Elemente 7.7-7.21 ist denkbar.

Bei dem gezeigten Messsystem verfügen die Ultraschallwandler 2, 3 über verschieden große Ultraschail-Wandlereiemente 6, 7.7-7.21. Das näherungsweise quadratische Ultraschall-Wandlerelement 6 misst beispielhaft 8x8mm, während die Größe der Ultraschall-Wandlerelemente 7.7-7.21 jeweils 2x8mm beträgt. Um die gleiche Fläche wie beim Uitraschall-Wandlerelement 6 zu erhalten, werden vier nebeneinander liegende Ultraschall-Wandlerelemente 7.7-7.21 zusammen aktiv geschaltet. Dies geschieht üblicherweise mit den direkten Nachbarn des Uitraschall- Wandlerelements 7.7-7.21 mit den geeignetsten Prozessparametern. Der

Zusammenschiuss kann für das Senden und/Empfangen gelten, als auch getrennt voneinander stattfinden. Senden können zusammengeschlossene Ultraschall- Wandlerelemente 7.7-7.21 indem sie gleichzeitig angesteuert werden. Dies geschieht wieder über entsprechend ausgestaltete, hier nicht dargestellte Muitiplexer 9.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm des beschriebenen Verfahrens. Dem Start der Diagnosephase geht die Installation und die grobe Positionierung der Ultraschallsensoren 2, 3 voraus. Analog zu Fig. 1 müssten die Wandlereiemente des

ersten Ultraschallsensors 2 mit 6.i und die Wandlerelemente des zweiten Uitraschailsensors mit 7.j bezeichnet werden. Der Einfachheit wegen werden sie nur mit i und j bezeichnet. Die Kombination (i,j), was analog zu Fig. 1 (6.i,7.j) wäre, wird gemessen, d.h. die Prozessparameter P _N ermittelt und/oder abgeleitet. Anschließend werden diese gespeichert. Dies erfolgt für alle Kombinationen von i = 1 bis i = i _ma χ und j = 1 bis j = j _max . Der Vergleich der Prozessparameter P ₁ , aller Kombinationen liefert die geeignetste Kombination an Ultraschall-Wandlerelementen. Mit diesen wird die Messung vollzogen.

Natürlich äst auch ein anderer als hier dargestellter Ablauf denkbar, wo die aktuel! gemessenen Prozessgrößen mit den im Speicher gehaltenen, bis dato geeignetsten Prozessgrößen verglichen werden.

Die Messung kann dann von Zeit zu Zeit, z.B. zeit- und/oder benutzer- und/oder prozessgesteuert, wieder von Diagnosephasen unterbrochen werden. Alternativ kann die Diagnose während der Messphase stattfinden und/oder durch die Auswertung der Messsignale selbst.

Bezugszeichenliste

I Durchfiuss-Messsystem 2 Erster UJtraschailsensor

3 Zweiter Ultraschalisensor

4 Messrohr

5 Messmedium

6 Elektromechanische Ultraschall-Wandlerelemente 7 Elektromechanische Ultraschail-Wandierelemente

8 Regel-/Auswerteeinheit

9 Multiplexer

10 Ultraschall-Signaipfad

I 1 Abstand der eiektromechanischen Ultraschali-Wandlerelemente 12 Abstand der eiektromechanischen Ultraschall-Wandlerelemente

13 Koppelelement

14 Koppelelement

15 Erste Fläche

16 Zweite Fläche 17 externe Schnittstelle