Ultraschall-Messanordnung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Messanordnung zur Durchfluss-, Schallgeschwindigkeits-, Dichte-, Viskositäts- und/oder Temperaturmessung fließfähiger Medien, mit einem eine Messstrecke aufweisenden Messrohr, welches in einem Bereich eines Messgehäuses angeordnet ist, wobei die Ultraschall-Messanordnung zur Durchschallung der Messstrecke in und entgegen der Flussrichtung eines Mediums und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger als Sensoren aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Ultraschall-Messanordnung.

Zur Etablierung einer gut durchschallbaren Messstrecke beim Einsatz von Ultraschall-Messanord-nungen, insbesondere im Bereich der Durchflussmessung fließfähiger Medien, sind bereits verschiedene Konzepte zur Ausbildung von Messstrecken in Gehäusen bekannt. Für kleine Nenndurchmesser in der Größenordnung von bis zu etwa 25 mm sind hierfür durch die EP 0 088 235 und der EP 0 681 162 die U-Form, und anderweitig auch die Z-Form oder die doppelte Z-Form bekannt und verbreitet, wobei abhängig von Platzangebot und Einsatzform auch weitere, im Grunde beliebig komplizierte Formen von Messstrecken verwendet werden.

Alle erwähnten Messstrecken sind jeweils mit dem Nachteil behaftet, dass sie mit ihrem dem Messvorgang geschuldeten Profil aus produktionstechnischen Gründen notwendig mehrteilig herzustellen sind und die betreffenden Teile nachträglich mittels Nähte verursachenden Schweißungen oder über Dichtungen zu verbinden sind. Dieser Umstand bringt wiederum den Nachteil mit

sich, dass zum einen die betreffenden Dichtungen undicht werden können und sich Kapillaren zwischen Gehäuse und Dichtung ausbilden können. Zum anderen kann eine Schweißstelle Poren, Einschlüsse oder sonstige Unregelmäßigkeiten aufweisen. In diese Schwachstellen kann sich das transportierte, zu messende Medium setzen, was gerade in der Lebensmittelbranche zu hygienischen Problemen führen kann. Ein weiteres Problem kann hierbei im Bereich Chemieindustrie auftreten, wenn Mediumsreste verbleiben, die z. B. beim Ausbau des Gerätes das Personal gefährden können.

Bei dem erwähnten geringen Nenndurchmesser sind weiter aus der DE 101 20 355, der DE 39 11 408 und der DE 39 41 546 beispielsweise Systeme bekannt, die mit Reflexion bzw. sogar Mehrfachreflexion arbeiten. Jede Reflexion schluckt jedoch einen Teil der eingestrahlten Schallenergie, so dass in diesen Fällen starke Sendesignale benötigt werden, die wiederum Probleme hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit mit sich bringen können, oder aber das Empfangssignal wird so schwach, das es von dem immer vorhandenen, mit aufgezeichneten Rauschen nur noch schwer unterscheidbar ist und daher seitens der Messwerterfassung einen erhöhten Aufwand notwendig macht.

Schließlich ist aus der DE 101 09 161 auch eine Messanordnung bekannt, bei welcher innerhalb eines Geräts mit großem Nenndurchmesser mittels einer Düse im Messrohr ein kleinerer Durchmesser sozusagen simuliert wird, indem durch die Düse die Strömung auf einen kleinen Bereich konzentriert wird. Solche Anordnungen haben jedoch eine fest vorgegebene Flussrichtung und können somit keine Rückflüsse messen.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Ultraschall-Messanordnung zur Verfügung zu stellen, die einfach und günstig herzustellen

ist und die bei kleinem Nenndurchmesser der Messstrecke die Nachteile nachträglicher zusammenzufassender Teile der Anordnung vermeidet und mit vertretbar hoher Sendeleistung ein direktes Durchschallen der Messstrecke gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ultraschall-Messanordnung der eingangs genannten Art, bei welcher das Messgehäuse an dem Messrohr angespritzt mit diesem dichtungs- und nahtfrei verbunden ist und bei welcher zwischen den Sensoren, also den Ultraschall-Sendeempfängern, ein zu der Flussrichtung paralleler, reflexionsfreier Schallweg gebildet ist. Eine Bereitstellung der Ultraschall-Messanordnung in einem mehrstufigen Spritzgussverfahren gestattet es hierbei, in einer Form das mit der Messstrecke versehene Messrohr zunächst ohne Reflexionsstellen an der Messstrecke und mit den notwendigen Anschlüssen zu gießen, wonach das Messrohr als Zwischenprodukt in einem zweiten Spritzvorgang mit dem Gehäuse umgössen wird. Hierbei werden die öffnungen der Messstrecke bei dem zweiten Spritzvorgang mittels geeigneter Gegen-stände, bspw. Dorne oder Schieber verschlossen und so das Eindringen von Spritzgut in die Messstrecke vermieden, die Verschlüsse können nach Entformen des Endprodukts problemlos von den öffnungen entfernt werden. Bei dem zweiten Spritzgießvorgang verbindet sich der Kunststoff des eingelegten Messrohres mit dem Kunststoff des dann anzuspritzenden Messgehäuses derart, dass keine Kapillaren oder Nahtstellen entstehen.

Eine zweckmäßige, die gute Durchschallung der Messstrecke unterstützende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ultraschall- Messanordnung kann darin bestehen, dass die sich zwischen den Sensoren erstreckende Messstrecke im wesentlichen über ihre gesamte Länge einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt, ^' insbesondere ohne Querschnittsänderung, aufweist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Ultraschall-Messanordnung sind die Sensoren an der Messtrecke hinsichtlich des bewegten Mediums berührungsfrei angeordnet und können daher nicht von aggressiven, bspw. korrosiven Medien angegriffen werden, während umgekehrt kein Kontakt eines Sensors mit dem transportierten Medium erfolgt und derart keinen negativen Einfluss, bspw. durch Verunreinigung desselben, nehmen kann. Bei einer Ausführung mit mediumsberührten Sensoren können diese einfach an der Messstrecke zugewandten Flächen des Messrohres angeordnet sein, beispielsweise geklebt oder angespritzt.

Um die Sensoren trotzdem möglichst exakt an den Enden der Messstrecke einander gegenüberliegend anordnen zu können, ist bei einer weiteren Ausführungsform der Ultraschall-Messanordnung im Bereich der Stirnenden des Messrohres, in dem Gehäuse diesen benachbart gegenüberliegend, jeweils wenigstens eine Aufnahme für einen Ultraschall-Sendeempfänger angeordnet, in welcher ein Sensor untergebracht werden kann.

Die Anordnung und Festlegung der Sensoren in den betreffenden Aufnahmen erfolgt dabei sinnvollerweise derart, dass jeder Sensor an einer der Messtrecke zugewandten Fläche einer Aufnahme in dem Gehäuse geklebt, angespritzt oder durch eine andere Fixierung ortsfest gehalten ist.

Eine zweckmäßige Zuführung und Abfuhr des zu messenden fließfähigen Mediums zu der Ultraschall-Messanordnung hin bzw. von dieser weg wird durch eine Weiterbildung sichergestellt, bei der das Messrohr im Bereich seiner Enden mit Anschlusseinrichtungen verbunden ist, welche das Medium in einer im wesentlichen quer zur Längserstreckung des Messrohres verlaufenden Richtung zu- bzw. abführen. Hierdurch bildet das Profil des

Messrohres eine Z-Form oder eine U-Form oder die Form eines „Doppel-L". Dabei ist auch eine Weiterbildung umfasst, bei der die Zu- bzw. Abflussrichtung der Anschlusseinrichtungen nicht in einer Ebene liegen sondern einen Winkel einschließen, zum Beispiel einen Winkel von 90°.

Entlang seiner Längserstreckung kann das Messrohr einer weiteren Ausführungsform mit axialen, über zumindest einen Teil der Längserstreckung des Messrohres verlaufenden Rippen oder dergleichen Vorsprüngen versehen sein, die zweckmäßigerweise bei dem Anspritzen des Gehäuses in dafür vorgesehene Aufnahmen der Gussform eingreifen, so dass das Messrohr bei dem Gussvorgang keinen Bewegungen unterliegt und sicher gehalten ist.

Darüber hinaus kann eine andere Weiterbildung der Ultraschall- Messanordnung an dem Messrohr auch über an diesem angeordnete radiale, insbesondere in gleichmäßigem Abstand über wenigstens einen Teil der Längserstreckung des Messrohres beabstandete Rippen verfügen, welche dem Messrohr eine sowohl für die Bedingungen des zweiten Spritzguss-Vorgangs als auch für seine späteren Einsatzbedingungen wünschenswerte Steifigkeit verleiht.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung der Ultraschall- Messanordnung bildet der Bereich des Messgehäuses mit dem Messrohr ein erstes, offenes Gehäuseteil, welches mit einem bevorzugt als Deckel ausgebildeten zweiten Gehäuseteil verbindbar ist. Die beiden Gehäuseteile bilden auf diese Weise einen Einbauraum, in welchem weitere Einrichtungen untergebracht werden können .

Bei einer bevorzugten Ausführung ist in dem zweiten Gehäuseteil die Anordnung die Anordnung wenigstens einer mit den Sensoren verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen, die bei-

spielsweise die Erzeugung, Erfassung, Auswertung und/oder Weiterverarbeitung und Weiterleitung übernimmt und hierfür mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen ist. Eine solche Signalverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise in dem vorher erwähnten Einbauraum angeordnet sein.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Ultraschall- Messanordnung, welche die Anforderungen hinsichtlich Hygiene und Sicherheit bei Anwendungen in der Lebensmittel- und chemischen Industrie einhalten, weswegen insbesondere hierfür das Messrohr sowie das Messgehäuse bzw. dessen Teile aus einem Kunststoff, insbesondere einem lebensmitteltauglichen und/oder hochbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder einem anderen Polyolefin oder einem geeigneten polymeren Fluorcarbon, wie etwa Perfluoralkoxy (PFA), vorgesehen sind.

Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Ultraschall-Messanordnung, insbesondere einer vorstehend bereits beschriebenen Ultraschall-Messanordnung, welche zumindest die folgenden Verfahrensschritte um- fasst :

i. Herstellung eines Messrohres mit einer Messstrecke in einer ersten Gussform durch ein geeignetes Gussverfahren, insbesondere ein Spritzgussverfahren; ii. Einlegen von zwei Positivformen in im Bereich der Enden des Messrohres befindliche Anschlussstücke; iii. Einlegen des Messrohres mit den Formen in eine zweite Gussform und Anspritzen eines insbesondere offenen Gehäuseteils an das Messrohr, wobei bei dem Spritzgießvorgang das Messrohr mit dem Gehäusebereich naht- und kapillarfrei verbunden wird; iv. Entformen der verbundenen Gussstücke mit nachträgli-

eher Entnahme der Positivformen aus den Anschlusstücken und Anordnung von Sensoren im Bereich der Messstrecke .

Es wird also bei dem Herstellungsverfahren zunächst ein die Messstrecke aufweisendes Messrohr hergestellt, und zwar mittels eines Gussverfahrens, insbesondere eines Spritzgussverfahrens. Das bei dem ersten Verfahrensschritt im Grunde als Zwischenprodukt entstehende Messrohr wird sodann im Bereich seiner Enden mit diese verschließenden Positivformen versehen, die bevorzugt als im wesentlichen konische Dorne vorgesehen sind. Aufgrund ihrer Konizität weisen sie ein verjüngtes Ende auf, das die öffnungen der Messtrecke im Endbereich des Messrohres sicher verschließt, so dass dort bei dem zweiten Spritzgussvorgang kein Spritzgut eindringen kann. Die Positivformen können am Ende des Verfahrens nach dem Entformen des Gussstückes leicht wieder aus den Anschlussstücken herausgezogen werden.

Bei einer bevorzugten Variante des Herstellungsverfahrens kann ein das erste Gehäuseteil verschließendes zweites Gehäuseteil in dem gleichen Gussvorgang wie das erste geformt werden. Das das Messrohr aufnehmende erste Gehäuseteil muss dabei nicht zwangsläufig als offenes, wannenartiges Gehäuseteil ausgebildet sein, sondern kann auch lediglich Anschlussbereiche für das zweite Gehäuseteil aufweisen. Bevorzugt wird aber das zweite Gehäuseteil einen Deckel für das erste bilden, wobei in beiden Fällen eines der Gehäuseteile derart vorgesehen ist, dass in diesem wenigstens eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung, Erfassung, Auswertung und/oder Weiterverarbeitung der von den Sensoren erzeugten oder aufgenommenen Signalen angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft, weil gut handhabbar, lässt sich eine weitere Variante des Verfahrens durchführen, bei welcher das Messrohr während des zweiten Gussvorgangs durch an seinem Außenbereich angeordnete Vorsprünge in Aufnahmen der Gussform gehalten ist.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus vorsehen, dass entweder die Sensoren bei der Herstellung des Gehäuseteils in dieses durch Einlegen in die Gussform vor dem Gussvorgang integriert sind oder an dem Gehäuseteil von außen zugängliche Aufnahmen zur nachträglichen Anordnung der Sensoren vorgesehen sind, so dass nach dem Gussvorgang entweder bereits die vollständige Messanordnung zur Verfügung steht oder diese noch um später ausgewählte Sensoren ergänzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise schematisierter Ansicht zeigen hierbei

Fig.l eine perspektivische Ansicht eines Messrohres der erfindungsgemäßen Ultraschall-Messanord-nung mit in dessen Endbereichen angeordneten An- schlussstücken;

Fig.2 eine perspektivische Ansicht des Messrohres aus der Fig.l mit in die Anschlussstücke eingeführten Positivformen;

Fig.3 die erfindungsgemäße Ultraschall-Messanordnung mit einem Gehäusebereich und darin angeordnetem Messrohr der Fign. 1 und 2.

In den Fign. 1 und 2 ist ein aus Kunststoff gefertigtes Messrohr 2 mit darin befindlicher, nicht sichtbarer Messtrecke 3 einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Ultraschall-Messanordnung zu sehen. Das Messrohr 2 ist einem ersten Spritzgussvorgang hergestellt worden und erstreckt sich für den Betrachter von vorne rechts nach hinten links. In seinen Endbereichen 4 weist das Messrohr 2 jeweils ein Anschlussstück 5 auf, diese bilden den Zu- und Ablauf für das zu transportierende bzw. zu messende fließfähige Medium und weisen derart in entgegen gesetzte Richtungen, dass das Profil des Messrohrs 2 die Form eines „Z" bzw. eines „Doppel-L" bildet. Die Anschlussstücke 5 sind mit einem ausgeschnittenen Bereich 6 versehen, in welchem in dem zweiten Spritzgussvorgang ein Anschluss an das in den Fign. 1 und 2 nicht dargestellte Messgehäuse 7 erfolgt.

Das Messrohr 2 ist außen entlang seiner Längserstreckung mit axialen Vorsprüngen 8, die das Messrohr 2 bei dem zweiten Spritzgussvorgang in der Spritzform ortsfest halten. Darüber hinaus ist das Messrohr außen mit gleichmäßig beabstandeten radialen Rippen 9, die entweder durch die Vorsprünge 8 unterbrochen oder umlaufend sind, versehen. Diese Rippen 9 steifen das Messrohr 2 aus und verleihen ihm Stabilität.

Nur in der Fig.2 sind in Vorbereitung auf den zweiten Spritzgussvorgang an dem Messrohr 2 zwei konische, dornartige Positivformen 10 zu erkennen, die in die Anschlussstücke 5 eingesteckt sind und deren jeweils in das Anschlussstück 5 ragendes verjüngtes Ende die zugeordnete nicht erkennbare öffnung der Messstrecke 3 des Messrohres 2 verschließt. Der der Messstrecke 3 abgewandte Bereich des verjüngten Endes der Positivform 10 ist dabei so ausgeschnitten, dass sich ein abgeflachter Bereich 11 ergibt, an welchem sich an dem später angespritzten Messge-

häuse derjenige Wandbereich 13 befindet (vgl. Fig.3), hinter welcher einer der Ultraschall-Sensoren angeordnet ist.

Die Fig.3 zeigt eine Ultraschall-Messanordnung 1, nach einem zweiten Spritzgussvorgang aus der Gussform entformt, bei welcher aus Gründen der übersichtlichkeit die Sensoren nicht dargestellt sind. Zu erkennen ist wiederum das bereits in den Fign. 1 und 2 gezeigte Messrohr 2, welches in einem als Gehäuseteil 15 ausgebildeten Bereich des ebenfalls aus Kunststoff ausgebildeten Messgehäuses 7 angeordnet ist.

Das Messrohr 2 ist mit dem Messgehäuse 7 dichtungs- und nahtfrei verbunden und zwischen den nicht dargestellten Sensoren ist ein reflexionsfreier Schallweg gebildet. Letzteres lässt sich an der Position der Aufnahmen 12 erkennen, die nach Fertigstellung der Form mit den Sensoren bestückt und diese dort mittels Klebung, Anspritzen oder einer anderen Fixierung festgelegt werden können, wodurch diese hinsichtlich des Mediums berührungsfrei angeordnet sind. Weiter ist an den Aufnahmen 12 genau derjenige Wandbereich 13 des Messgehäuses 7 zu erkennen, der bereits weiter oben erwähnt durch den abgeflachten Bereich der Positivform beim Spritzgussvorgang entsteht. In der Fig.3 ist das Messrohr in seinem Außenbereich lediglich mit den Axialen Vorsprüngen 8, nicht aber den radialen Rippen 9 versehen.

überdies ist der Fig.3 zu entnehmen, dass das Gehäuseteil 15 des Messgehäuses 7, in welchem das Messrohr 2 angeordnet ist, wannenartig mit einem Rand 14 ausgebildet ist, welcher Rand 14 eine von diesem abstehende Lippe 16 aufweist. An dem Rand 14 ist das Gehäuseteil 15 mit einem nicht dargestellten, als Deckel ausgebildeten zweiten Gehäuseteil verbindbar, so dass mit dieser Anordnung das Messrohr 2 eingeschlossen ist und sich in unmittelbarer Nähe einer in dem durch die zusammengefügten

Gehäuseteile gebildeten Einbauraum angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung befindet. Im Außenbereich des ersten Gehäuseteils 15 sind außerdem zwei flache, von dem Gehäuseteil wegragende Festlegemittel 17 mit ösen 18 angeordnet, an welchem das erste Gehäuseteil 15 bzw. das ganze Messgehäuse an geeigneter Stelle festgelegt werden kann.

Die vorstehend beschriebene Erfindung betrifft demnach also eine Ultraschall-Messanordnung 1 zur Durchflussmessung fließfähiger Medien, mit einem eine Messstrecke 3 aufweisenden Messrohr 2, welches in einem Bereich eines Messgehäuses 7 angeordnet ist, wobei die Ultraschall-Messanordnung 1 zur Durchschallung der Messstrecke 3 in und entgegen der Flussrichtung eines Mediums und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger als Sensoren aufweist. Um eine Ultraschall-Messanordnung 1 zur Verfügung zu haben, die einfach und günstig herzustellen ist und die bei kleinem Nenndurchmesser der Messstrecke 3 die Nachteile nachträglicher zusammenzufassender Teile der Anordnung 1 vermeidet und mit vertretbar hoher Sendeleistung ein direktes Durchschallen der Messstrecke 3 gestattet wird vorgeschlagen, das Messgehäuse 7 an dem Messrohr 2 anzuspritzen und derart mit diesem dichtungs- und nahtfrei zu verbinden und hierdurch zwischen den Sensoren einen reflexionsfreien Schallweg zu ermöglichen.