Ultraschall-Ströπiungssensor mit Wandlerarray und Reflexionsfläche

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor, insbesondere zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Fluids, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ultraschall-Strömungssensoren werden insbesondere eingesetzt, um den Volumen- oder Massestrom oder die Strömungsgeschwin- digkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung fließt. Ein typischer Ultraschall- Strömungssensor umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden, de.r sie empfängt. Je nach Ausstrahlungsrichtung werden die Ultraschallsignale von der Strömung entweder beschleunigt oder verlangsamt. Die Ultraschallsignale werden daher von den beiden Wandlern nach unterschiedlichen Laufzeiten empfangen. Aus dem Laufzeitunterschied des Ultraschallsignals in Strömungsrichtung und des Ultraschallsignals in der Gegenrichtung kann eine Auswerteelektronik schließlich die gewünschte Messgröße berechnen.

Ein anderer Typ von Ultraschall-Strömungssensoren nutzt den Effekt der Strahlverwehung. Dieser Typ umfasst in der Regel zwei an einer Rohrleitung gegenüberliegend angeordnete Wandlerarrays (Reihenanordnung mehrerer Wandler), von denen das eine als Sendearray und das andere als Empfangsarray arbeitet. Das Sendearray sendet dabei ein Ultraschallsignal an das gegenüberliegende Empfangsarray, wo das Signal detektiert wird. Fließt durch die Rohrleitung ein Fluid mit einer Strömungsgeschwindigkeit v, so werden die quer zur Strömungsrichtung ausgesendeten Schallwellen von der Strömung mitgeführt und dadurch in Strömungsrichtung abgelenkt (Strahlverwehung) . Der Aufbau eines solchen Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Wandlerarrays ist relativ aufwändig und kompliziert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Strömungssensor, der nach dem Prinzip der Strahlverwehung arbeitet, zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und wesentlich kostengünstiger realisiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Ultraschall-Strömungssensor mit nur einem einzigen Wandlerarray und einer gegenüberliegenden Reflexionsfläche zu realisieren, und den Strömungssensor derart zu betreiben, dass das Wandlerarray Ultraschallsignale an die gegenüberliegende Reflexionsfläche aussendet und die reflektierten Signale wieder empfängt. Das Ausmaß der Strahlverwehung ist dabei ein Maß für die Strömungs¬ geschwindigkeit des strömenden Mediums. Ein wesentlicher Vorteil dieses Strömungssensors besteht darin, dass nur ein einziges Wandlerarray erforderlich ist und ein derartiger Sensor besonders kostengünstig hergestellt werden kann.

Unter dem Begriff "Wandlerarray" wird hier im besonderen eine Reihenanordnung von mehreren Ultraschallwandlern verstanden, die vorzugsweise unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. Die einzelnen Wandler sind vorzugsweise fluchtend angeordnet und erzeugen z.B. ebene oder zylinderförmige Ultraschallwellen. Das Wandlerarray kann aber auch derart gebildet sein, dass kugelförmige, ellipsoidförmige oder auf sonstige Weise gekrümmte Wellenfronten erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Wandlerarray wird vorzugsweise gepulst betrieben. D.h., die einzelnen Ultraschallwandler des Wandlerarrays werden pulsartig elektrisch angeregt und erzeugen ein entsprechendes Ultraschallsignal, das nach seiner Laufzeit - die im wesentlichen vom Rohrdurchmesser und der Schallgeschwindigkeit im Fluid abhängig ist - wieder von den Wandlern empfangen wird.

Die Häufigkeit der Anregungen pro Zeit, d.h. die Anzahl der Ultraschallsignale, die gleichzeitig die Messstrecke durchlaufen, ist prinzipiell frei wählbar. Dabei ist nur zu berücksichtigen, dass herkömmliche Wandler nicht gleichzeitig senden und empfangen können und somit Senden und Empfangen nicht auf einen Zeitpunkt zusammen fallen dürfen.

Der Sensor kann gemäß einer ersten Betriebsart z.B. ähnlich wie im Λλsing-around" (Anmerkung: sing-around bezieht sich normalerweise darauf, dass Laufzeitmessung durchgeführt wird) Verfahren betrieben werden, bei dem der Empfang eines Ultraschallsignals am Wandlerarray jeweils die Erzeugung eines neuen Ultraschallsignals auslöst. Dadurch laufen die Ultraschallsignale fortlaufend hin und her.

Gemäß einer zweiten Betriebsart wird die Erzeugung der Ultraschallsignale von einem Oszillator gesteuert periodisch so ausgelöst, dass immer erst nach dem Empfang eines Ultraschallsignals ein neues Ultraschallsignal gesendet wird.

Gemäß einer dritten Betriebsart wird das Wandlerarray derart angesteuert, dass es innerhalb einer Umlaufzeit (d.h. die Zeit, die ein Ultraschallsignal vom Wandlerarray zur Reflexionsfläche und zurück benötigen würde) eine Sequenz aus mehreren Ultraschallsignalen sendet. In diesem Fall wird, noch bevor das erste der Ultras.σhallsignale das Wandlerarray wieder erreicht hat, wenigstens ein weiteres Signal in die Messstrecke eingekoppelt. Dadurch kann die Anzahl der Messungen pro Zeit wesentlich erhöht und somit auch die Messgenauigkeit gesteigert werden, wobei die Messdauer gegenüber n Einzelmessungen wesentlich, kürzer ist. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Ultraschallsignalen einer Sequenz ist dabei so zu wählen, dass ein Wandler empfangsbereit ist, d.h. nicht gerade im Sendebetrieb arbeitet, wenn ein reflektiertes Ultraschallsignal am Wandler eintrifft.

Der Ultraschall-Strömungssensor umfasst vorzugsweise eine Sendeelektronik, mit der die einzelnen Ultraschallwandler individuell und unabhängig voneinander angeregt werden können. Dadurch wird es möglich, die Gangunterschiede der einzelnen, von den Ultraschallwandlern ausgesendeten Signale derart einzustellen, dass durch Interferenz eine globale Ultraschallwelle mit vorgebbarer Wellenfront entsteht. So kann z.B. eine im wesentlichen zylinderförmige oder kugelförmige Wellenfront erzeugt werden, die an der ~, gegenüberliegenden Reflexionsfläche reflektiprt wird und fokussiert wieder auf das Wandlerarray trifft. Die Reflexionsflache kann in diesem Fall einfach ein Teil der Rohrinnenwand sein, ohne dass eine spezielle Anpassung der Wand erforderlich wäre.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die • einzelnen Wandler des Wandlerarrays synchron angeregt, so dass durch Interferenz der Einzelsignale eine Welle mit ebener Wellenfront entsteht. In diesem Fall ist die Reflexionsfläche vorzugsweise derart gekrümmt, dass die ebene Welle fokussiert wird und gebündelt auf das Wandlerarray trifft. Um die Strömung möglichst wenάg zu behindern, sollte die Reflexionsfläche außerdem derart gestaltet sein, dass sie der Strömung wenig Widerstand bietet und keine Turbulenzen erzeugt. Die Reflexionsfläche kann zu diesem Zweck z.B. als eine in der Rohrinnenwand befindliche Ausbuchtung realisiert sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf der Seite der Reflexionsfläche eine Abblendeinrichtung vorgesehen, die bewirkt, dass derjenige Teil des Ultraschallsignals, der auf die Abblendeinrichtung trifft, nicht oder nur gedämpft auf das Wandlerarray zurück reflektiert wird. Die Abblendeinrichtung kann z.B. derart realisiert sein, dass das auftreffende Ultraschallsignal absorbiert, gestreut oder aus dem Schallweg des Nutzsignals heraus reflektiert wird. Dadurch wird auf dem Wandlerarray ein Intensitätsmuster abgebildet, dessen Grenzen relativ scharf sind und somit gut erfasst werden kann.

Die Abblendeinrichtung kann z.B. ein Bereich, der Innenwandfläche sein, der z.B. aufgeraut oder mit feinen Rillen versehen ist, um das Ultraschallsignal diffus zu streuen. Die Rillen sind aus strömungstechni.sehen Gründen vorzugsweise in Strömungsrichtung ausgerichtet.

Das Wandlerarray ist vorzugsweise bündig mit der Innenwand der Rohrleitung montiert. Dadurch wird die Strömung des Fluids nicht gestört und es treten insbesondere keine Turbulenzen auf.

Das erfindungsgemäße Wandlerarray ist darüber hinaus vorzugsweise in der oberen Hälfte einer Rohrleitung montiert. Dies hat den Vorteil, dass sich am Wandlerarray nur wenig Staub oder Schwebstoffe ansammeln können. Sofern das Wandlerarray und die Reflexionsfläche seitlich gegenüberliegend an der Rohrleitung angeordnet sind, werden beide Elemente relativ wenig verschmutzt.

Der Ultraschall-Strömungssensor umfasst vorzugsweise eine Sende- und Empfangselektronik, die das Wandlerarray in gewünschter Weise anregt und das reflektierte Ultraschallsignal detektiert und auswertet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ultraschall- Strömungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Ultrascha.il- Strömungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ultrascha.ll- Strömungssensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Ultraschall-Strömungssensor zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Fluids 1, das durch eine Rohrleitung 3 strömt. Der Strömungssensor umfasst im wesentlichen ein Ultraschall-Wandlerarray 2 aus mehreren einzelnen, parallel angeordneten streifenförmigen Ultraschallwandlern 2a-2n, die jeweils Ultraschallsignale erzeugen und diese an eine gegenüberliegende Reflexionsfläche 4 aussenden. Durch Interferenz der Einzelsignale entsteht eine globale Wellenfront 7, die sich durch das strömende Fluid 1 quer zur Strömungsrichtung ausbreitet, an der Reflexionsfläche 4 reflektiert wird und dann wieder auf das Wandlerarray 2 trifft. Die Lage des Bildpunktes P ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 1.

In diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Ultraschallwandler 2a-2n des Wandlerarrays 2 separat angesteuert, so dass aufgrund der Gangunterschiede der Einzelsignale eine in Strahlungsrichtung konkav gekrümmte, etwa zylinderförmige Wellenfront 7 entsteht, deren Randbereiche 8 zuerst auf die Reflexionsfläche 4 treffen. Die Welle 7 wird dadurch fokussiert und trifft im wesentlichen linienförmig an einem Punkt P auf das Wandlerarray 2. Je nach Strömungsgeschwindigkeit v wandert der Bildpunkt P mehr oder weniger stark in Strömungsrichtung 12 (Effekt der Strahlverwehung). Der Strahlverlauf bei höherer Strömungsgeschwindigkeit v ist durch gestrichelte Linien, und einen Bildpunkt P' gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt rechts oben die Intensitätsverteilung 10 bzw.10' eines empfangenen Ultraschallsignals 9 bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten v. Bei geringer Strömungsgeschwindigkeit (bzw. ohne Strömung) ergibt sich am Wandlerarray 2 eine Intensitätsverteilung 10, deren Maximum etwa in der Mitte des Wandlerarrays 2 liegt. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit verschiebt sich dieses Maximum näher an den Rand des Wandlerarrays 2. Die zugehörige Intensitätsverteilung der Schallintensität ist hier mit dem Bezugszeichen 10' gekennzeichnet. Eine Empfangselektronik 6 wertet das an den Ultraschallwandlern 2a-2n detektierte Ultraschallsignal aus und berechnet daraus die gewünschte Messgröße.

Die Reflexionsfläche 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel. lediglich ein dem Wandlerarray 2 gegenüberliegender Abschnitt der Rohrinnenwand. Zur Verbesserung der Reflexions¬ eigenschaften könnte die Rohrinnenwand im Bereich der Reflexionsfläche 4 z.B. poliert oder mit einer speziellen Reflexionsschicht versehen werden. Das Wandlerarray 2 ist hier oben auf der Rohrleitung 3 angebracht, um zu verhindern, dass sich Staub oder Schwebstoffe am Wandlerarray ansammeln. Alternativ könnte das Wandlerarray 2 auch seitlich an der Rohrleitung 3 montiert werden, so dass der reflektierende Wandbereich ebenfalls seitlich an der Rohrleitung 3 liegen und folglich weniger verschmutzen würde. Fig. 2 zeigt eine schematisclie Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Ultraschall-Strömungssensors mit einem einzelnen Wandlerarray 2 und einer gegenüberliegenden Reflexionsfläche 4. Die Sende- und Auswerteschaltungen 5 bzw_ 6 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Ultraschallwandler 2a-2n des Wandlerarrays 2 derart angesteuert, dass durch Inteαrferenz der Einzelsignale eine ebene Wellenfront 7 entsteht, die in Richtung der Reflexionsfläche 4 läuft. Die Reflexionsfläche 4 ist derart gekrümmt, dass das UltraschaZLlsignal 7 fokussiert wird und etwa linienförmig oder punktförmig auf das Wandlerarray 2 trifft. Eine exakt punktförmige Fokussierung ist nicht zwingend notwendig.

Im Ausführungsbeispiel von FrLg. 2 ist die Reflexionsfläche 4 als eine Ausbuchtung in der Rohrwand des Rohres 3 gebildet, um die Strömung des Fluids 1 nicht zu behindern und insbesondere möglichst geringe Turbulenzen hervorzurufen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ultraschall- Strömungssensors mit einem einzigen Wandlerarray 2 und einer gegenüberliegenden ReflexionΞfläche 4. Die Ausdehnung der Reflexionsfläche 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als die Länge des Wandlerarrsys 2. Angrenzend an die Reflexionsfläche 4 ist eine Äbblendeinrichtung 11 vorgesehen,- die das auftreffende SchallSignal dämpft bzw. filtert. D.h. der auf die Abblendeinrichtuntg 11 auftreffende Teil eines Ultraschallsignals 7 wird nicht oder nur gedämpft auf das Wandlerarray 2 zurück reflektiert. Die Abblendeinrichtung 11 kann z.B. als Wandbereich mit besonderes rauher Oberfläche oder z.B. als ein mit Rillen versehener Bereich der Rohrinnenwand realisiert sein.

Am Wandlerarray 2 ergibt sich somit ein Muster mit hoher Schallintensität durch den an der Reflexionsfläche 4 reflektierten Teil des Signals 7 und mit niedriger Schallintensität durch den an der Abblendeinrichtung 11 gedämpften Teil des Signals 7. Die Grenzen dieses Musters verschieben sich wiederum in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 1. Aus der Position des Musters kann wiederum die gewünschte Messgröße ermittelt werden. Bezugszeichenliste

1 Fluid 2 Wandlerarray 2a-2n Ultraschallwandler 3 Rohrleitung 4 Reflexionsfläche 5 Sendeelektronik 6 Empfangselektronik 7 gesendete Welle 8 Wellengrenzen 9 reflektierte Welle 10,10' Intensitätsverteilung 10 Abblendeinrichtung 11 Strömungsrichtung P,P' Bildpunkt