Durchflussrate in einem von einem gasförmigen Medium durchströmten, elektrisch leitenden Objekt sowie akustischer Durchflussmesser zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate in einem von einem gasförmigen Medium durch strömten, elektrisch leitenden Objekt, insbesondere in einem Rohr oder einer Pipe line, mittels eines akustischen Durchflussmessers.

Bei herkömmlichen, nichtinvasiven, akustischen Durchflussmessern wird durch ei nen an oder nahe der Objektwand angeordneten Sendewandler eine insbesondere als Lamb-Welle ausgebildete Ultraschallwelle in dem Objekt erzeugt, die teilweise als Longitudinalwelle in das Medium einkoppelt. Von einem in Längsrichtung des Objekts vom Sendewandler beabstandeten, an oder nahe der Objektwand angeord neten Empfangswandler wird ein Nutzsignal detektiert, dass sich zumindest teilweise aufgrund der Longitudinalwelle ergibt. Aus dem Nutzsignal wird über eine Auswerte vorrichtung der Fluss oder die Durchflussrate des Mediums bestimmt.

Bei gasförmigen Medien sind derartige Messungen problematisch, da aufgrund der schlechten akustischen Kopplung zwischen dem Material des Objekts, insbesondere dem Rohrstahl, und dem gasförmigen Medium nur ein Bruchteil der vom Sende wandler erzeugten Ultraschallwelle in das Medium einkoppelt. Dies führt zu einem relativ kleinen Nutzsignal, das in der Regel um etwa einen Faktor 50 bis 10.000 klei ner ist als das vom Hauptstrahl der Ultraschallwelle erzeugte Signal. Zur Detektion des Nutzsignals muss der Empfangswandler daher regelmäßig stark verstärkt wer den, wodurch beim Zuschalten der Verstärkung ("gain change") Störsignale entste hen, die eine Auswertung der Messung erschweren. Ferner kann das Nutzsignal durch korreliertes Rauschen verzerrt werden, das durch Reflexionen der Ultra schallwelle an mechanischen Strukturen, wie Fehlstellen, Schweißnähten und vor allem Kontaktstellen einer Sensormechanik des Durchflussmessers, entstehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur akustischen Durchflussmessung auszubilden, das eine verbesserte Messung bzw. Bestimmung des Flusses eines gasförmigen Mediums oder der Durchflussrate ermöglicht. Wei terhin ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten akusti schen Durchflussmesser auszubilden, der eine verbesserte Messung bzw. Bestim mung des Flusses oder der Durchflussrate eines gasförmigen Mediums ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und/oder Anspruch 2 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind hierauf rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgen den Beschreibung zu entnehmen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate in einem von einem gasförmigen Medium durchströmten, elektrisch leitenden Objekt, insbesondere in einem Rohr oder einer Pipeline, mittels eines akustischen Durchflussmessers, wird in Umfangsrichtung um eine Längsachse des Objekts an oder nahe der Objektwand ein Sendewandler des Durchflussmes sers und in Längsrichtung des Objekts beabstandet an oder nahe der Objektwand ein Empfangswandler des Durchflussmessers angeordnet. Mittels des Sendewand lers wird eine insbesondere als Lamb-Welle ausgebildete Ultraschallwelle in dem Objekt erzeugt, die teilweise als Longitudinalwelle in das Medium einkoppelt. Ein Nutzsignal, das sich zumindest teilweise aufgrund der Longitudinalwelle ergibt, wird von dem Empfangssender detektiert, wobei über eine Auswertevorrichtung aus dem Nutzsignal der Fluss oder die Durchflussrate bestimmt wird. Dabei wird der Sende wandler in Umfangsrichtung um eine Längsachse des Objekts in einer ersten Positi on und der Empfangswandler in einer relativ zur ersten Position um die Längsachse herum variierten zweiten Position außerhalb des Hauptstrahls der Ultraschallwelle angeordnet. Die Breite des Hauptstrahls der Ultraschallwelle wird dabei auf einen Sektor zwischen zwei Kontaktstellen einer Sensormechanik über die Durchfluss messer an dem Objekt befestigt und insbesondere geklemmt ist, beschränkt. Insbe sondere sind die Kontaktstellen bezogen auf den Hauptstrahl und in Ausbreitungs richtung der Ultraschallwelle hinter dem Empfangswandler angeordnet. Vorzugswei se sind bezogen auf eine Längsachse des Objekts keine Kontaktstellen der Sen sormechanik zwischen Sende- und Empfangswandler angeordnet. Durch die Verwendung dieses Ansatzes wird eine Erzeugung von korreliertem Rau schen aufgrund von Reflexionen an Kontaktstellen der Sensormechanik stark ge hemmt, wodurch das um einige Größenordnungen kleinere Nutzsignal besser detek- tiert und ausgewertet werden kann. Zudem wird der Hauptstrahl der Ultraschallwelle am Empfangswandler vorbeigeführt und somit nicht direkt detektiert. Das wesentlich kleinere Nutzsignal kann daher besser und ohne einen starken Wechsel der Ver stärkung detektiert und ausgewertet werden. Dies hat eine verbesserte Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate des gasförmigen Mediums zur Folge.

Sende- oder Empfangswandler können dabei die Objektwand berühren oder berüh rungslos nahe an der Objektwand angeordnet sein. Hierbei sind Sende- oder Emp fangswandler nahe der Objektwand angeordnet, wenn diese eine Ultraschallwelle in der Objektwand erzeugen bzw. ein Nutzsignal detektieren können.

Die Breite des Hauptstrahls wird durch ihre seitlich der Ausbreitungsrichtung der Ult raschallwelle verlaufende Bündelgrenze definiert, bei der die Amplitude des Haupt strahls auf einen Wert abfällt, der vorzugsweise maximal 10% der Maximalamplitude beträgt. Bei einzelnen Ausführungsbeispielen kann dieser Wert ggf. maximal 30%, bevorzugt maximal 50% der Maximalamplitude betragen.

Als "Sektor" wird ein Bereich der Objektwand bezeichnet. Beispielsweise bei einem rohrförmigen Objekt ist dies aus einer Perspektive in Längsrichtung des Objekts je ner Abschnitt der Objektwand, der im Sinne eines "Kreisbogens" zwischen zwei je- weils von der Längsachse des Objekts ausgehenden, durch die Objektwand hin durch und senkrecht dazu verlaufenden Strecken eingegrenzt wird.

Als "gasförmiges Medium" wird auch Dampf, insbesondere Wasserdampf, angese hen. Das gasförmige Medium kann auch ein Gemisch mehrerer Medien darstellen, die insbesondere jeweils gasförmig sind.

Als "Sensormechanik" werden Befestigungselemente beschrieben, die zur Befesti gung von Sende- und/oder Empfangswandlern und ggf. weiterer Funktionselemente, wie Magneten, Magnetspulen, elektronischen Bauteilen, etc. an dem Objekt dienen. Ein Gehäuse kann Teil der Sensormechanik sein.

Ferner wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 2 gelöst, wobei der Empfangswandler zusätzlich zum Nutzsignal zumindest eine Nebenkeule der Ultraschallwelle detektiert und zumindest ein Nebenkeulensig nal in der Auswertung des Nutzsignals zur Bestimmung des Flusses oder der Durch flussrate als Referenzsignal verwendet wird.

Die Einbeziehung zumindest eines Nebenkeulensignals in die Auswertung des Nutzsignals zur Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate ermöglicht es, insbesondere systembedingte Fehler, wie Einflüsse der Elektronik, zu minimieren. Dies insbesondere durch Bildung der Differenz zwischen Nutzsignal und Referenz signal. Dadurch wird eine präzisere Messung und Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate des gasförmigen Mediums ermöglicht. Im Gegensatz zum Flaupt- strahl der Ultraschallwelle, der ein Signal erzeugt, das in der Regel etwa 50 bis 10.000 mal stärker ist als das Nutzsignal, bewegen sich das Nebenkeulensignal und das Nutzsignal in weitestgehend derselben Größenordnung. D.h. Nebenkeulensignal und Nutzsignal unterscheiden sich lediglich um einen Faktor größer 0,1 und kleiner 10. Daher ist die Detektion und Auswertung der Signale und die Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate präziser durchführbar. Sende- und Empfangswand ler sowie die zugehörige Elektronik werden entsprechend ausgelegt.

Insbesondere umfasst das Verfahren nach Anspruch 2 auch die Merkmale des Ver fahrens nach Anspruch 1.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Sende- und Empfangs wandler dergestalt ausgelegt, dass Nebenkeulensignal und Nutzsignal für die Aus wertung verstärkt werden, wobei die Verstärkungsfaktoren in derselben Größenord nung liegen. Dies gilt insbesondere für Nebenkeulen von Lamb-Wellen. Dadurch werden beispielsweise Störsignale, die bei einem "gain change" zwischen zwei Ver stärkungsfaktoren unterschiedlicher Größenordnungen entstehen, vermieden, wodurch in der Auswertevorrichtung eine bessere Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate ermöglicht wird. Auch kann alternativ der Dynamikbereich der Aus werteelektronik begrenzt werden, wodurch diese mit geringerem Aufwand realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Emp fangswandler in Längsrichtung des Objekts so positioniert, dass sich die Amplituden zweier gegensinnig um die Längsachse des Objekts herumlaufender Nebenkeulen am Empfangswandler überlagern. Dies trägt zur Verstärkung bzw. verbesserten De tektion des Referenzsignals bei, wodurch eine präzisere Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate ermöglicht wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Emp fangswandler aus einer Perspektive in Längsrichtung des Objekts gegenüber dem Sendewandler positioniert, d.h., um eine zentrale Längsachse des Objekts sind Sende- und Empfangswandler um 180° zueinander verschwenkt. Der in Umfangs- richtung somit am weitesten vom Hauptstrahl entfernt positionierte Empfangswand ler empfängt weniger durch einen Hauptstrahl erzeugtes, korreliertes Rauschen. Ferner wird durch die symmetrische Anordnung eine optimale Überlagerung von zwei an entgegengesetzten Seiten der Objektwand herumlaufenden Nebenkeulen erreicht, die damit ein verbessertes Referenzsignal bereitstellen. Dadurch ist eine präzisere Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Breite des Hauptstrahls der Ultraschallwelle über ein Phased-Array-Setup des zumindest einen Sendewandlers auf Höhe des Empfangswandlers in der Umfangsrichtung auf eine Sektorbreite von weniger als 120° beschränkt. Hierdurch bleibt auf der Höhe des Empfangswandlers aus einer Perspektive in Längsrichtung des Objekts genug Raum frei (ein Sektor von 240°), um den Empfangswandler ohne direkte Beeinflus sung durch den Hauptstrahl der Ultraschallwelle anzuordnen. Insbesondere wenn Empfangswandler sich über einen geringeren Sektor als 240“erstreckt, kann zudem Raum für Kontaktstellen einer Sensormechanik bereitgestellt werden. Dies führt zu einer weiteren Minimierung des korrelierten Rauschens und zu einer präziseren Be stimmung des Flusses oder der Durchflussrate.

Allgemein ist die Verwendung eines Phased-Array-Setups für die genaue Ausrich tung des Hauptstrahls vorteilhaft. Durch die Verwendung von auf EMAT-Basis arbei tenden Sende- und Empfangswandlern haben sich insbesondere und überraschend Vorteile für Flussmessungen in gasförmigen Medien ergeben. Insbesondere können bei einem EMAT-Setup, wie es auch nachfolgend beschrieben ist, Sende- und Emp fangswandler quasi unter Verzicht auf eine akustische Kopplung an der Objektwand positioniert werden. Durch die Sensormechanik können sowohl die Wandler als auch weitere Magnete zur Erzeugung eines stationären oder quasi-stationären Magnet felds am Objekt positioniert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Empfangswand ler bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts in einem Abstand kleiner D/2 von der Kontaktstelle der Sensormechanik positioniert, wobei D den Außendurchmesser des Rohres beschreibt. Dadurch wird erreicht, dass das Rauschsignal zumindest teilweise, insbesondere größtenteils, an dem Empfangswandler vorbeigelenkt wird. Dies gewährleistet eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses bzw. der Durchflussrate.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Mittelpunkt des Empfangswandlers bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts in einem Ab- stand kleiner als 1 ,5 ^* D, vorzugsweise kleiner 4/3 ^* D, von der Kontaktstelle der Sen sormechanik positioniert, wobei D den Außendurchmesser des Rohres beschreibt. Dadurch wird ebenfalls erreicht, dass das Rauschsignal zumindest teilweise, insbe sondere größtenteils, an dem Empfangswandler vorbeigelenkt wird. Dies gewähr leistet eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses bzw. der Durchflussrate.

Für den Fall, dass ein Teil der an den Kontaktstellen reflektierten Wellen doch auf den Empfangswandler trifft, wird durch den möglichst klein gewählten Abstand des Empfangswandlers zu den Kontaktstellen erreicht, dass das durch die reflektierten Wellen hervorgerufene Rauschsignal zeitlich vor dem sich langsamer bewegenden Nutzsignal am Empfangswandler ankommt. Auf diese Weise wird eine zeitliche Überlappung des Rauschsignals mit dem Nutzsignal verhindert, was eine präzise Auswertung des Nutzsignals beeinträchtigen würde.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung der Ultraschallwelle in dem Objekt ein statisches oder quasi statisches, erstes Mag netfeld erzeugt, welches mit einem von dem Sendewandler in dem oberflächenna hen Bereich des Objekt erzeugten, variierenden weiteren Magnetfeld wechselwirkt. Durch ein solches EMAT-Setup können akustisch relevante Kopplungen mit dem Objekt minimiert werden, Sende- und Empfangswandler können als mäanderförmige Leiterbahnen auf eine insbesondere gekrümmte Rohroberfläche aufgelegt werden, ohne dass es zu einer relevanten akustischen Beeinflussung des Nutzsignals kommt. Sende- und Empfangswandler sind insbesondere zur Ausbildung eines Pha- sed-Array-Ansatzes mit mehreren entsprechend beabstandeten Leiterbahnen ver sehen, die zeitlich unterschiedlich angesteuert werden können.

Insbesondere werden ein Paar Sende- und Empfangswandler einerseits und ein weiteres Sende- und Empfangswandler-Paar andererseits am Objekt angeordnet, wobei zur Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate sowohl in Richtung des Flusses sowie in die Gegenrichtung gemessen wird. Durch das Aufnehmen eines Messsignals jeweils in Richtung des Flusses und in die Gegenrichtung können durch einen Vergleich der Messsignale, insbesondere Differenzbildung, weitere Einfluss größen, wie beispielsweise die Temperatur des Mediums, rechnerisch eliminiert werden. Dadurch ist eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate gewährleistet.

Alternativ wird vorzugsweise als Sende- und/oder Empfangswandler dabei eine Lei teranordnung verwendet, die sowohl zum Senden der Ultraschallwelle als auch zum Empfangen des Nutzsignals und insbesondere des Referenzsignals ausgelegt ist. Durch die Verwendung nur einer Leiteranordnung ggf. aus mehreren Leiterbahnen pro Sende- bzw. Empfangsposition können Störeinflüsse durch eine kompakte An ordnung von Sende- und Empfangswandler umgangen oder minimiert werden. Fer ner kann so ein Durchflussmesser kompakter und mit kleinerem Gesamtgewicht rea lisiert werden, so dass die Kontaktstellen der Sensormechanik kleiner dimensioniert werden können, was zur Minimierung von korreliertem Rauschen führt. Vorzugsweise wird der Sende- und/oder Empfangswandler in einem Frequenzbe reich von 50 kHz bis 300 kHz, bevorzugt von 100 kHz bis 210 kHz, betrieben. Der Bereich definiert insbesondere die Frequenz der durch den Sendewandler im Objekt erzeugten Ultraschallwelle. In diesem Frequenzbereich ist eine präzise Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate möglich.

Gemäß dem bereits vor- sowie dem weiter unten nachbeschriebenen wird die ein gangs gestellte Aufgabe auch durch einen akustischen Durchflussmesser zur nicht invasiven Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate in einem von einem gas förmigen Medium durchströmten, elektrisch leitenden Objekt, insbesondere in einem Rohr oder einer Pipeline und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 12 gelöst. Der Durchflussmesser weist einen an oder nahe der Ob jektwand zu positionierenden Sendewandler und einen an oder nahe der Objekt wand anzuordnenden Empfangswandler auf. Der Durchflussmesser ist zur Erzeu gung einer insbesondere als Lamb-Welle ausgebildeten Ultraschallwelle in dem Ob jekt und zur Detektion des Nutzsignals ausgelegt und mit einer Sensormechanik zur Verbindung des Durchflussmessers mit dem Objekt versehen. Dazu weist der Durchflussmesser eine Auswertevorrichtung auf, mittels der aus dem Nutzsignal der Fluss oder die Durchflussrate bestimmbar ist. Hierbei ist der Sendewandler in Um fangsrichtung um eine Längsachse des Objekts in einer ersten Position und der Empfangswandler in einer relativ zur ersten Position um die Längsachse herum vari ierten zweiten Position außerhalb des Hauptstrahls der Ultraschallwelle angeordnet, wobei der Empfangswandler und der Sendewandler bezogen auf eine Längsachse des zwischen diesen anzuordnenden Objekts eine Sektorbreite kleiner 120°, vor- zugsweise kleiner oder gleich 90°, insbesondere kleiner 80°, aufweisen und Kon taktmittel der Sensormechanik in Richtung der Längsachse betrachtet außerhalb der vom Empfangswandler und Sendewandler aufgespannten Sektoren angeordnet sind.

Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird eine Erzeugung von korreliertem Rau schen aufgrund von Reflexionen an Kontaktstellen der Sensormechanik stark ge hemmt, wodurch das deutlich kleinere Nutzsignal besser detektiert und ausgewertet werden kann. Zudem wird der Hauptstrahl der Ultraschallwelle am Empfangswandler vorbeigeführt und somit nicht direkt detektiert. Das wesentlich kleinere Nutzsignal kann daher besser und ohne einen starken Wechsel der Verstärkung detektiert und ausgewertet werden. Dies hat aufgrund reduzierter Einflüsse der Messelektronik eine verbesserte Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate des gasförmigen Mediums dergestalt zur Folge, dass die Anwendung praktikabel wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind von dem Sen de- zu dem Empfangswandler und bezogen auf eine Längsachse des Objekts die dem Empfangswandler zugeordneten Kontaktmittel hinter dem Empfangswandler angeordnet. Dadurch wird eine Konfiguration ermöglicht, in der der Zwischenraum zwischen Sendewandler und Empfangswandler frei von Kontaktstellen bleibt, wodurch das Entstehen von störenden Reflexionen verhindert wird. Dies erlaubt eine präzisere Messung und Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Sende- und/oder Empfangswandler in Umfangsrichtung eine Erstreckung auf, die das 3- fache bis 10-fache der Wellenlänge, vorzugsweise 4-fache bis 8-fache der Wellen länge der Ultraschallwelle beträgt. Dies gilt insbesondere für auf EMAT-Basis aus gebildete Leiterbahnen bzw. -schleifen aufweisende Wandler. Bei einer derartigen Auslegung von Sende- und/oder Empfangswandler weist der Hauptstrahl der Ultra schallwelle eine geringe Divergenz auf, so dass dieser optimal am Empfangswandler und insbesondere an den Kontaktstellen der Sensormechanik vorbeigelenkt werden kann. Dadurch kann eine verbesserte Bestimmung des Flusses oder der Durchfluss rate erreicht werden.

Vorzugsweise ist der Sende- und/oder Empfangswandler entsprechend einer Wel lenlänge im Bereich von 5 mm bis 20 mm, bevorzugt von 10 mm bis 16 mm, ausge bildet. Bei auf EMAT-Basis ausgebildeten, im Wesentlichen parallel verlaufende Lei terbahnen bzw. -schleifen aufweisenden Wandlern wird dadurch insbesondere der Abstand zwischen zwei die gleiche Stromrichtung aufweisenden Leiterbahnenteil stücken definiert. In diesem Wellenlängenbereich ist eine präzise Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate möglich.

Besonders bevorzugt beträgt die Erstreckung (E) des Sende- und/oder Empfangs wandlers (2, 4) 25 mm bis 150 mm, bevorzugt 40 mm bis 120 mm, und eine senk recht zur Erstreckung (E) verlaufende Breite (F) des Sende- und/oder Empfangs wandlers (2, 4) 75 mm bis 100 mm, bevorzugt 85 mm. Derartig dimensionierte Wandler ermöglichen eine leichte Handhabung und eine präzise Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate bei den gängigen Wanddicken und Rohrdurchmes sern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts der Empfangswandler in einem Abstand kleiner D/2 von der Kontaktstelle der Sensormechanik angeordnet, wobei D den Außendurch messer des Rohres beschreibt. Dadurch wird ermöglicht, dass das Rauschsignal zumindest teilweise, insbesondere größtenteils, an dem Empfangswandler vorbeige lenkt wird. Dies gewährleistet eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses bzw. der Durchflussrate.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Mittelpunkt des Empfangswandlers bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts in einem Abstand kleiner 1 ,5 ^* D, vorzugsweise kleiner 4/3 ^* D, von der Kontaktstelle der Sensormecha nik positioniert, wobei D den Außendurchmesser des Rohres beschreibt. Dadurch wird ebenfalls sichergestellt, dass das Rauschsignal zumindest teilweise, insbeson dere größtenteils, an dem Empfangswandler vorbeigelenkt wird. Dies gewährleistet eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses bzw. der Durchflussrate.

Für den Fall, dass ein Teil der an den Kontaktstellen reflektierten Wellen doch auf den Empfangswandler trifft, wird durch den möglichst klein gewählten Abstand des Empfangswandlers zu den Kontaktstellen erreicht, dass das durch die reflektierten Wellen hervorgerufene Rauschsignal zeitlich vor dem sich langsamer bewegenden Nutzsignal am Empfangswandler ankommt. Auf diese Weise wird eine zeitliche Überlappung des Rauschsignals mit dem Nutzsignal verhindert, was eine präzise Auswertung des Nutzsignals beeinträchtigen würde.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Sende- und/oder Empfangswandler von einer Leiteranordnung ausgebildet, die sowohl zum Senden der Ultraschallwelle als auch zum Empfangen des Nutzsignals ausgelegt ist. Durch die Messung sowohl in Richtung des Flusses als auch in die Gegenrichtung werden zwei Messsignale erhalten, durch die mittels Vergleich, insbesondere Diffe renzbildung, weitere Einflussgrößen, wie beispielsweise die Temperatur des Medi ums, rechnerisch eliminiert werden können. Dadurch ist eine präzise Messung und Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate gewährleistet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet zumindest ein Kontaktmittel wenigstens eine linienförmige und insbesondere in Längsrichtung des Objekts verlaufende Kontaktstelle zur Anlage an das Objekt aus. Durch diese Aus gestaltung ist eine minimale Kontaktfläche der Kontaktmittel mit dem Objekt gewähr leistet, so dass Reflexionen insbesondere des Hauptstrahls nur an sehr begrenzten Stellen entlang des Objektumfangs auftreten können, was eine präzise Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate ermöglicht. Insbesondere sind in Längsrichtung des Objekts verlaufende, linienförmige Kontaktstellen von Vorteil, die im Wesentli chen parallel zur Hauptabstrahlrichtung des Hauptstrahls der Ultraschallwelle verlau fen, so dass aus einer Perspektive in Ausbreitungsrichtung des Hauptstrahls quasi punktförmige Kontaktstellen vorliegen. Dadurch werden Reflexionen weitergehend minimiert. Alternativ oder zusätzlich bildet zumindest ein Kontaktmittel wenigstens eine punkt förmige Kontaktstelle zur Anlage an das Objekt aus. Dabei können mehrere punkt förmige Kontaktstellen beispielsweise in Längsrichtung des Objekts in Serie bzw. Reihe hintereinander angeordnet sein. Ferner können die Kontaktmittel aus mehre ren punktförmigen Kontaktstellen ausgebildet sein, die in Längsrichtung des Objekts hintereinander und in Umfangsrichtung des Objekts nebeneinander angeordnet sein können. Nebeneinander verlaufende Reihen können auch versetzt zueinander an geordnet werden.

Vorzugsweise besteht zumindest ein Kontaktmittel aus einem harten Material, ins besondere aus Metall. Durch die "harte Kopplung" werden Reflexionen weiterge hend minimiert, wodurch eine präzisere Messung und Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate erreicht werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbe schreibung zu entnehmen.

In den schematisch dargestellten Figuren zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gegenstand in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Gegenstand gemäß Fig. 1 in einer weiteren, um

90“gedrehten Prinzipdarstellung, Fig. 3 eine Abbildung mit Empfangssignalen eines erfindungsgemäßen Durch flussmessers,

Fig. 4 eine Prinzipskizze gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Abbildung einer erfindungsgemäßen Leiteranordnung,

Fig. 6 eine weitere Prinzipskizze gemäß der Erfindung,

Fig. 7 ein Element des erfindungsgemäßen Durchflussmessers,

Fig. 8 ein Simulationsergebnis zur Veranschaulichung einer Nebenkeule.

Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind - sofern dienlich - mit identischen Bezugszif fern versehen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Aus führungsbeispiele können auch mit den Merkmalen der vorbeschriebenen Ausfüh rungsbeispiele zu erfindungsgemäßen Weiterbildungen führen.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer akustischer Durchflussmesser (in Tei len) gezeigt, mit einer als Sendewandler fungierenden ersten Leiteranordnung 2 und einer als Empfangswandler fungierenden zweiten Leiteranordnung 4, die von außen an einem rohrförmigen Objekt 6 angeordnet sind, dessen Längsachse mit A be zeichnet ist und das von einem gasförmigen Medium 7 durchströmt wird. Die erste Leiteranordnung 2 und die zweite Leiteranordnung 4 sind in Längsrichtung des Ob jekts 6 beabstandet. Die als Sendewandler fungierende erste Leiteranordnung 2 er zeugt eine insbesondere als Lamb-Welle ausgebildete Ultraschallwelle 8 in der Ob jektwand 10, die teilweise als Longitudinalwelle 12 in das Medium 7 einkoppelt. In einem der ersten Leiteranordnung 2 gegenüberliegenden Bereich der Objektwand 10 wird die Longitudinalwelle 12 in eine insbesondere als Lamb-Welle ausgebildete, Nutzsignal-Ultraschallwelle 13 umgewandelt. Das von der als Empfangswandler fungierenden zweiten Leiteranordnung 4 detektierte Nutzsignal 14 der Nutzsignal- Ultraschallwelle 13 ergibt sich zumindest teilweise aufgrund der Longitudinalwelle

12.

Die Ultraschallwelle 8 hat einen leicht divergierenden Hauptstrahl 16, in dem ein überwiegender Teil der Energie der Ultraschallwelle 8 gebündelt ist und in eine Aus breitungsrichtung B in der Objektwand 10 transportiert wird. Der Hauptstrahl 16 weist eine Bündelgrenze 18 auf, ab der die Amplitude des Hauptstrahls 16 um 30% geringer als die Maximalamplitude ist. Die erste Leiteranordnung 2 ist in Umfangs richtung U um die Längsachse A in einer ersten Position und die zweite Leiteranord nung 4 in einer relativ zur ersten Position um die Längsachse A herum variierten zweiten Position außerhalb des Hauptstrahls 16 angeordnet.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Durchflussmesser teilweise und in Draufsicht auf die als Sendewandler fungierende Leiteranordnung 2. Die Breite C des Haupt strahls 16 wird auf einen Sektor 20 zwischen zwei Kontaktstellen 22 beschränkt, wobei die Kontaktstellen 22 ferner bezogen auf den Hauptstrahl 16 und in Ausbrei- tungsrichtung B der Ultraschallwelle 8 hinter der als Empfangswandler fungierenden zweiten Leiteranordnung 4 angeordnet sind. Der Empfangswandler 4 detektiert zu sätzlich zum Nutzsignal 14 zwei gegensinnig um die Längsachse A des Objekts 6 herumlaufende Nebenkeulen 24 der Ultraschallwelle 8, wobei zumindest ein Neben keulensignal 26 in der Auswertung des Nutzsignals 14 zur Bestimmung des Flusses oder der Durchflussrate als Referenzsignal verwendet wird. Sowohl Sende- als auch Empfangswandler sind mit zumindest zwei Leiterschleifen im Phased-Array-Setup ausgebildet.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer zeitlich aufgelösten Messung in beliebigen Einheiten für die Intensität I der Signale und die Zeit t. Das Nebenkeulensignal 26, welches durch die Objektwand 10 vom Sendewandler 2 zum Empfangswandler 4 läuft, kommt einige Zeit vor dem Nutzsignal 14 an, das sich zumindest teilweise aufgrund der in das Medium 7 eingekoppelten Longitudinalwelle 12 ergibt. Das Nebenkeulen signal 26 liegt in derselben Größenordnung wie das Nutzsignal 14 und kann daher optimal als Referenzsignal dienen. So können eine Vielzahl von systematischen Fehlern bzw. Störgrößen wie Einflüsse aus der Elektronik und beispielhaft durch Bil dung der Differenz zwischen Nutzsignal 14 und Nebenkeulensignal 26 rechnerisch eliminiert werden.

Ein Rauschsignal 28, das vorwiegend aufgrund von Reflexionen der Ultraschallwelle 8 an vom Durchflussmesser beabstandeten, reflektierenden Strukturen im oder am Rohr, insbesondere Schweißnähten, Flanschen oder Befestigungselementen, ent steht, wird ebenfalls vom Empfangswandler 4 detektiert. Um eine optimale Messung zu gewährleisten, muss sichergestellt werden, dass das Rauschsignal 28 den Emp fangswandler 4 zeitlich erst nach dem Abklingen des Nutzsignals 14 (etwa bei der Zeit t1 ) erreicht.

Mit Blick auf Fig. 4 kann durch verschiedene konstruktive Maßnahmen die Intensität von Reflexionen, die an den Kontaktstellen 22 entstehen, verringert werden. Zum einen sind die Kontaktstellen 22 einer zur Befestigung des Durchflussmessers am Objekt 6 vorgesehenen Sensormechanik in Ausbreitungsrichtung B der Ultraschall welle 8 hinter dem Empfangswandler 4 angeordnet. Zudem ist eine Positionierung und Dimensionierung des Empfangswandlers 4 von Bedeutung. In Abhängigkeit des Außendurchmessers D des Objekts 6 wird der Empfangswandler 4 bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts 6 in einem Abstand d1 kleiner D/2 von der Kontaktstelle 22 positioniert. Ferner wird der Mittelpunkt des Empfangswandlers 4 bezogen auf eine Längsrichtung des Objekts 6 in einem Abstand d2 kleiner als 1 ,5 ^* D, vorzugs weise kleiner als 4/3 ^* D, von der Kontaktstelle 22 positioniert. Eine derartige Anord nung (Pos. X) bewirkt, dass zumindest ein Teil der an den Kontaktstellen 22 reflek tierten Wellen 30 nicht auf den Empfangswandler 4 treffen (wie dies in einer alterna tiven Anordnung gemäß Pos. Y für die reflektierten Wellen 30' der Fall ist).

Für den Fall, dass ein Teil der an den Kontaktstellen 22 reflektierten Wellen 30 doch auf den Empfangswandler 4 trifft, wird durch den möglichst klein gewählten Abstand d1 , d2 erreicht, dass das durch die reflektierten Wellen 30 hervorgerufene Rausch signal zeitlich vor dem sich langsamer bewegenden Nutzsignal 14 am Empfangs wandler 4 ankommt. Auf diese Weise wird eine zeitliche Überlappung dieses Rauschsignals mit dem Nutzsignal 14 verhindert, was eine präzise Auswertung des Nutzsignals 14 beeinträchtigen würde.

In Fig. 5 sind zwei Leiteranordnungen exemplarisch als Beispiele für ein Phased- Array-Setup auf EMAT-Basis in einer "entrollten" Position skizziert, die als Sende wandler 2 und/oder Empfangswandler 4 fungieren können und eine Erstreckung E aufweisen, die parallel zur Umfangsrichtung U des Objekts 6 ausgerichtet ist, wenn die Leiteranordnungen an oder in der Nähe der Objektwand 10 angeordnet sind. Um einen Hauptstrahl 16 mit geringer Divergenz zu erhalten, weist der Sendewandler 2 und/oder Empfangswandler 4 in Umfangsrichtung U eine Erstreckung E auf, die das 3-fache bis 10-fache der Wellenlänge l, vorzugsweise 4-fache bis 8-fache der Wel lenlänge l der Ultraschallwelle 8 beträgt.

Fig. 6 dient zur Verdeutlichung des Begriffs "Sektor" bzw. "Sektorbreite" 20 und zeigt ein rohrförmiges Objekt 6 aus einer Perspektive in dessen Längsrichtung. Beispiel haft nimmt ein Empfangswandler 4 einen Sektor 20 (schraffiert) von 90° ein bzw. weist eine Sektorbreite 20 von 90° auf, wenn der Winkel a zwischen den Geraden G 90° beträgt.

In Fig. 7 ist ein Befestigungsring 32 der Sensormechanik gezeigt. Der Befestigungs ring 32 weist Kontaktmittel 34 auf, die jeweils eine linienförmige und in Längsrich tung des Objekts 6 verlaufende Kontaktstelle 36 zur Anlage an das Objekt 6 ausbil den. Fig. 8 zeigt ein Simulationsergebnis einer sich ausbreitenden Ultraschallwelle in ei nem rohrförmigen Objekt (projizierte Darstellung). Die horizontale Achse entspricht der Längsrichtung des Objekts, die vertikale Achse der Umfangsrichtung U. Die Longitudinalwelle breitet sich in Längsrichtung des Objekts aus (Ausbreitungsrich tung B), deren Hauptstrahl zentral verläuft. Auf beiden Seiten geht jeweils eine Ne benkeule der Longitudinalwelle ab (jeweilige Ausbreitungsrichtung der Nebenkeule hervorgehoben durch einen weißen Pfeil). Diese laufen im weiteren Verlauf gegen sinnig um die Längsachse des Objekts herum und werden vom Empfangswandler detektiert, wobei das Nebenkeulensignal in der Auswertung des Nutzsignals zur Be stimmung des Flusses oder der Durchflussrate als Referenzsignal verwendet wird.