Stand der Technik Derzeit eingesetzte Ultraschall-Durchflussmesser umfassen in der Regel zwei Ultraschall- wandler, die sich gegenseitig Ultraschallpulse zusenden. Dabei sind die Ultraschallwandler so angeordnet, dass ein Puls in Strömungsrichtung und der andere Puls entgegen der Strö- mungsrichtung läuft. Aus den Laufzeitunterschieden, die aufgrund der Strömungsgeschwin- digkeit des strömenden Mediums auftreten, lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen.

Ein solcher Ultraschall-Durchflussmesser, der einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor enthält, welche wechselweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empfänger wirksam sind, wobei die digitalisierten Empfangssignale nach dem Laufzeitkorrelationsverafhren ei- nem Auswerterechner miteinander korreliert werden, ist aus DE 198 15 199 AI bekannt.

Ultraschall-Durchflussmesser können z. B. dort eingesetzt werden, wo Volumenströme durch ein Rohr quantitativ möglichst genau erfasst werden sollen. Eine Einsatzmöglichkeit ist z. B. die Füllungserfassung an Verbrennungsmotoren, um die Zylinder mit der für den Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlichen Kraftstoffmenge zu versorgen.

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Durchflussmessern ist es, dass zwei Ultraschallwandler eingesetzt werden, die abwechselnd als Sender und Emp-

fänger arbeiten. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass immer ein Ultraschallwand- ler als Sender arbeitet, während der andere gleichzeitig als Empfänger dient.

Darstellung der Erfindung Die erfindungsgemäße Lösung zur Beseitigung der Nachteile aus dem Stand der Technik sieht vor, durch die Anordnung von Reflektoren im Messkanal die Laufzeit des Sensor- signales soweit zu verlängern, dass ein einzelner Ultraschallwandler, der als Sender und Empfänger dient, ausreicht. Aufgrund der begrenzten Richtwirkung des Wandlers ergibt sich ein natürlicher Öffnungswinkel für die Abstrahlung, wodurch der Ultraschallimpuls zwei unterschiedliche Wege nehmen kann. Beide Wege können durch eine Blende getrennt werden, die zwei Öffnungen aufweist. Die Öffnungen in der Blende sind dabei so angeord- net, dass die beiden Wege des Ultraschallsignales übereinstimmen, das Signal aber in entge- gengesetzte Richtung läuft. Hierdurch wird es ermöglicht, dass ein Signal mit der Strömung und das andere Signal entgegen der Strömung verläuft. Somit kann aus dem Laufzeitunter- schied der beiden Signale bei ausreichend hoher Laufzeit oder durch ein Interferenzsignal am Ultraschallwandler die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit werden die Ultraschallwellen über zumindest zwei Reflexionen im Strömungskanal geleitet. Auf diese Weise lässt sich der Weg der Schallwellen so einstellen, dass der gleiche Ultraschallwandler als Sender und Empfänger dienen kann. Eine bessere Signalqualität kann dadurch erreicht werden, dass durch den Ein- satz von mehr als zwei Reflektoren die durch die Mehrfachreflexion erzielte Verlängerung der Umlaufzeit der Ultraschallimpulse soweit verlängert wird, dass die Zeit zwischen Sen- den und Empfangen auch bei kleineren Kanaldurchmessern größer als die Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers wird.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten kann die Interferenz der beiden phasenver- schobenen Schallwellen ausgenutzt werden. Durch die Mehrfachreflexion ist jedoch auch eine vollständige zeitliche Separation der empfangenen Signalimpulse möglich, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten direkt über Laufzeitunterschiede bestimmt werden können.

Beim Einsatz von zwei Reflektoren, die auf gegenüberliegenden Seiten im Messkanal ange- bracht sind, erlaubt die Asymmetrie des Schallweges eine integrierende Messung über die gesamte Kanalbreite. Hierdurch wird ein möglichst großer Teil des einströmenden Ge- schwindigkeitsprofils repräsentativ erfasst. Vorzugsweise sind die Reflektoren so angeord- net, dass der Abstand in Strömungsrichtung möglichst groß ist im Vergleich zum Abstand senkrecht zur Strömungsrichtung.

Die zur Auftrennung der Wege des Ultraschallsignals optional eingesetzte Blende kann gleichzeitig auch als Wand des Strömungskanals dienen. Weiterhin kann zur Reflexion der Schallwellen die Kanalwand so gestaltet sein, dass sie als Reflektor dient. Hierzu bildet die Kanalwand vorzugsweise eine Ausbuchtung. Eine weitere Möglichkeit ist es, innerhalb des Messkanals Reflektoren anzuordnen. Dabei sind die Reflektoren vorzugsweise so gestaltet, dass die nicht zur Reflektion von Schallwellen benötigte Seite strömungsgünstig geformt ist.

Eine weitere Möglichkeit zur strömungstechnisch günstigen Gestaltung der Reflektoren besteht darin, auf den Reflektor ein strömungsgünstig geformtes Profil aus einem Material mit einer Schallinpedanz nahe derjenigen des Fluids aufzubringen. Als strömungsgünstige Profile eignen sich insbesondere kugelförmige, parabolische oder elliptische Profile. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Reflektoren ist es, die Reflektoren in Hohlspiegelform mit fokussierender Wirkung zu gestalten.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird ein von einem Ultraschallwandler in Form eines Schallkegels ausgesendeter Ultraschallimpuls an den Rändern des Schallkegels über zumindest zwei Reflektoren durch eine Fluidströmung und zurück zum Ultraschall- wandler geleitet. Die Reflektoren sind dabei so angeordnet, dass die Schallwellen den glei- chen Weg gleichzeitig in entgegengesetzte Richtung durchlaufen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schallwellen durch den Ein- satz hohlspiegelförmiger Reflektoren gebündelt. Weiterhin ist es möglich, den Ultraschall- impuls durch Einsatz einer Blende in zwei Wege aufzuteilen. Eine integrierende Messung der Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Kanalbreite, wodurch ein möglichst großer Teil des einströmenden Geschwindigkeitsprofils repräsentativ erfasst wird, wird dadurch ermöglicht, dass der Weg der Schallwellen im strömenden Fluid eine Komponente in Strö- mungsrichtung und eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist. Aus den Laufzeitunterschieden der in entgegengesetzte Richtung laufenden Schallwellen kann dann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Alternativ kann die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auch aus der Interferenz der phasenverschobenen Schallwellen erfolgen.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor eignet sich zur Messung der Strömungsgeschwin- digkeit sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen. <BR> <BR> <P>Zeichnung

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit zwei Reflektoren, Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit drei Reflektoren.

Figur 3. 1 Anordnung der Reflektoren in einer Ausführungsvariante, Figur 3.2 Anordnung der Reflektoren in einer weiteren Ausführungsvariante, Figur 4 Messkanal mit in der Strömung angeordneten Reflektoren, Figur 5 eine Ausführungsvariante einer Blende mit unverschlossenen Öffnungen.

Ausführungsvarianten Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit zwei Reflektoren.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Ultraschall-Durchflussmesser 1 umfasst einen Ultra- schallwandler 2, der außerhalb eines Messkanals 3 angeordnet ist Der Querschnitt des Messkanals 3 kann dabei jede beliebige Form annehmen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Messkanal geschlossen ist. So ist zum Beispiel auch eine Anordnung möglich, bei der der Ultraschallwandler an der offenen Seite einer offenen Kanalströmung angeordnet ist.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids 4 im Messkanal 3 wird vom Ult- raschallwandler 2 ein Ultraschallimpuls in Form eines Schallkegels 5 ausgesendet. An den Rändern 6 des Ultraschallimpulses sind Reflektoren 7,8 angeordnet, die die Schallwellen reflektieren. Dabei ist der erste Reflektor 7 an der Seite der Strömung angeordnet, die näher zum Ultraschallwandler 2 positioniert ist. Der zweite Reflektor 8 ist an der vom Ultra- schallwandler 2 entfernten Seite der Strömung angeordnet. Die beiden Reflektoren 7,8 sind dabei so ausgerichtet, dass die von den Reflektoren 7,8 reflektierten Schallwellen jeweils auf den anderen Reflektor 7,8 treffen und von dort zurück zum Ultraschallwandler 2 gelei- tet werden. Der Weg, den die Schallwellen zurücklegen, ist dabei mit Bezugszeichen 9 ge- kennzeichnet. Die Anordnung der Reflektoren 7,8 ist derart, dass die Schallwellen vom

Rand des Schallkegels 4 jeweils reflektiert, zum anderen Reflektor 7,8 und von dort zurück zum Ultraschallwandler 2 geführt werden, wobei die Schallwellen in eine erste Richtung 10 und eine zweite Richtung 11 verlaufen, die genau der ersten Richtung 10 entgegengesetzt ist.

Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung der Reflektoren 7,8 innerhalb der Strömung des Fluids 4, deren Richtung und Geschwindigkeitsprofil mit dem Bezugszeichen 12 markiert ist, wird die Strömung durch die Reflektoren 7,8 gestört. Zur Verringerung der Störung der Strömung können die Reflektoren 7,8 auf der für die Reflektion nicht benötigten Seite ein aerodynamisches Profil aufweisen. Dieses ist vorzugsweise ein halbkugelförmiges, para- bolisches oder elliptisches Profil. Eine weitere Möglichkeit, eine Störung der Strömung zu verringern, besteht darin, die Reflektoren 7,8 als Ausbuchtungen der ersten Kanalwand 13 und zweiten Kanalwand 14 des Messkanals 3 zu gestalten. Hierbei wirken dann die erste Kanalwand 13 und zweite Kanalwand 14 selbst als Reflektoren.

Nach Durchlaufen des strömenden Fluids 4 überlagern sich die Ultraschallimpulse im Ul- traschallwandler 2 zu einem resultierenden Interferenzsignal. Die Amplitude dieses Interfe- renzsignals hängt direkt vom Phasenunterschied zwischen den beiden Signalwegen 10,11- in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung-ab und ist ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Durchflussmessers mit drei Reflektoren dargestellt.

Der Ultraschall-Durchflussmesser 1 nach der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante umfasst den Ultraschallwandler 2, der außerhalb des Messkanals 3 angebracht ist, durch welchen das Fluid 4 strömt. Das Fluid 4 kann dabei flüssig oder gasförmig sein. Zur Be- stimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird vom Ultraschallwandler 2 ein Ultraschallim- puls ausgesendet. Durch eine Blende 15, die in der Ausführungsvariante entsprechend Figur 2 gleichzeitig die erste Kanalwand 13 ausbildet, wird der Weg festgelegt, den der Ultra- schallimpuls durch das den Messkanal 3 durchströmende Fluid 4 zurücklegt. Der Weg ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Der Ultraschallimpuls wird über den ersten Reflektor 7, den zweiten Reflektor 8 und einen dritten Reflektor 16 umgeleitet, bevor er wieder auf den Ultraschallwandler 2 trifft. Durch die entsprechende Anordnung einer ersten Blendenöffnung 17 und einer zweiten Blendenöffnung 18 der Blende 13 sowie der Reflektoren 7,8, 16 wird der Weg des Ultraschallimpulses festgelegt. Der Ultraschallimpuls wird vom Ultraschallwandler 2 in Form eines Schallkegels 5 mit einem mit dem Bezugszei- chen 19 gekennzeichneten Abstrahlwinkel oder in Form einer Doppelkeulencharakteristik

22 abgestrahlt. Die Blende 15 dient dazu, aus dem Schallkegel 5 gerichtete Ultraschallim- pulse zu erzeugen. Die Ultraschallimpulse laufen entlang dem Ultraschallweg 9, wobei ein Impuls die erste Richtung 10 und ein zweiter Impuls die zweite Richtung 11, die der ersten Richtung 10 entgegengerichtet ist, entlang läuft. Damit die Strömung des Fluids 4 im Mess- kanal 3 möglichst wenig gestört wird, können die Reflektoren 7,8, 16 durch die obere Ka- nalwand 13 und die untere Kanalwand 14 ausgebildet werden. Eine entsprechende Anord- nung der Reflektoren 7,8, 16 kann dadurch erreicht werden, dass in den Kanal eine Aus- buchtung 20 eingebracht wird. Als Material für die Reflektoren 7,8, 16 können z. B. metal- lische Oberflächen oder glatte Kunststoffoberflächen eingesetzt werden. Wichtig ist es, dass sich die Schallimpedanz der Oberflächen der Reflektoren 7,8, 16 und des Fluids 4 stark unterscheidet.

Damit aus dem Messkanal 3 kein Fluid 4 aus den Blendenöffnungen 17,18 austreten kann, werden die Blendenöffnungen 17,18 vorzugsweise verschlossen. Hierzu sind Materialien zu verwenden, die eine möglichst ähnliche Schallimpedanz aufweisen wie das Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird. Alternativ können die Öffnungen 17,18 auch offen bleiben. In diesem Fall reicht das Fluid bis zum Ultraschallwandler 2. Das Volumen zwischen der Kanalwand 13 und dem Ultraschallwandler 2 ist dann vorzugsweise so zu gestalten, dass möglichst wenig des Fluids 4 längs des Ultraschallweges 9 strömt.

Die Blendenöffnungen 17,18 können jede beliebige Form annehmen, sind jedoch vorzugs- weise kreisförmig ausgebildet. Um ein optimales Ergebnis für die Bestimmung der Strö- mungsgeschwindigkeit zu erreichen, sind die Blendenöffnungen 17,18 vorzugsweise in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Zur Messung der mittleren Strömungsge- schwindigkeit ist es erforderlich, dass die Ultraschallimpulse den gesamten Kanalquerschnitt durchqueren, da die Strömung des Fluids 4 von den Kanalwänden 13,14 zur Kanalmitte 21 hin zunimmt. Ein entsprechendes Strömungsprofil für eine laminare Strömung ist in Figur 2 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet. Bei turbulenden Strömungen, die mit zunehmenden Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, verändert sich das paraboli- sche Geschwindigkeitsprofil 12 immer mehr zu einem kastenförmigen Geschwindigkeits- profil 12.

Eine Zunahme der Signalqualität kann dadurch erreicht werden, dass die Reflektoren so angeordnet werden, dass nicht nur die Gesamtstrecke des Ultraschallweges 9 verlängert wird, sondern dass auch die Summe der auf die Strömungsrichtung projizierten Kompo- nenten sl, s2, S3 des Ultraschallweges 9 vergrößert wird. Die effektive Wegkomponente 2s3 entlang der Strömungsrichtung ist dabei

2 (S2-SI)=2S3.

Die Länge der effektiven Wegkomponente 2s3 ist gerade der Abstand der Blendenöffnungen 17,18. Wird dieser vergrößert, so nimmt die Zeit-oder Phasenverschiebung der Empfangs- signale zu.

Eine ausreichende Verlängerung des Ultraschallweges 9, durch die eine Messung der Strö- mungsgeschwindigkeit durch den Laufzeitunterschied ermöglicht wird, mit weniger als drei Reflektoren würde beim Einsatz eines einzelnen Ultraschallwandlers 2 und einer vergleich- bar kompakten Bauweise des Ultraschall-Durchflussmessers 1 einen größeren Abstrahlwin- kel 19 oder ein starkes Abknicken des Messkanals 3 des Ultraschallimpulses erfordern. Die- ser größere Abstrahlwinkel 19 wäre allerdings nur über kleinere Ultraschallfrequenzen zu erzielen, wodurch jedoch gleichzeitig die Zeitauflösung der Laufzeitmessung bzw. die Sig- nalqualität verschlechtert würde. Das starke Abknicken des Messkanals 3 fährt bei größeren Strömungsraten zu starken Turbulenzen und einem dadurch bedingten Druckabfall. Aus diesem Grund lässt sich die erforderliche Signalqualität und Zeitauflösung der Laufzeiten- messung dadurch erreichen, dass der Ultraschallimpuls über zumindest drei Reflektoren geführt wird.

Eine Ausführungsvariante zur Ausbildung der Reflektoren 7,16 in der zweiten Kanalwand 14 des Messkanals 3 ist in Figur 3.1 dargestellt. Um den Querschnitt des Messkanals 3 vor und nach dem Reflektor gleichzuhalten, sind die Reflektoren 7,16 als Vorsprung der zwei- ten Kanalwand 14 ausgebildet. Eine weitere Ausführungsvariante zur Anordnung der Re- flektoren 7,16 in der zweiten Kanalwand 14 ist in Figur 3.2 dargestellt. Hierbei bilden die Reflektoren 7,16 teilweise einen Vorsprung aus der Kanalwand und teilweise eine Aus- buchtung in die Kanalwand. Zwischen den Reflektoren 7,16 ist die zweite Kanalwand 14 so angeordnet, dass der Querschnitt des Messkanals 2 vor und hinter den Reflektoren 7,16 gleich ist.

Figur 4 zeigt einen Messkanal mit in der Strömung angeordneten Reflektoren.

Bei der in Figur 4 dargestellten AusEihrungsvariante sind die Reflektoren 7,16 als Reflek- torkörper 23 im Messkanal 3 angeordnet. Die Reffektorkörper 23 sind dabei vorzugsweise strömungsgünstig, d. h. kugelförmig, elliptisch, parabolisch oder in Form eines Tragflächen- profils ausgebildet. Die reflektierende Seite 7,16 des Reflektorkörpers 23 ist vorzugsweise glatt oder in Form eines Hohlspiegels ausgebildet. Um eine Störung der Strömung weiter zu reduzieren, kann auf dem Reflektor 7,16 ein Reflektoraufsatz 24 ausgebildet sein. Dabei ist das Material des Reflektoraufsatzes 24 so zu wählen, dass die Schallimpedanz des Reflek-.

toraufsatzes 24 und die Schallimpedanz des Fluids 4, welches durch den Messkanal 3 strömt, möglichst ähnlich sind.

In Figur 5 ist ein Messkanal mit einer Ausführungsvariante einer Blende mit unverschlosse- nen Öffnungen dargestellt.

Neben der Kanalwand 13 kann als zweiter Reflektor 8 auch ein Reflektorkörper 31 einge- setzt werden. Da der Reflektorkörper 31 innerhalb des vom Ultraschallwandlers 2 ausge- sendeten Schallkegels 5 angeordnet ist, wird von der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 Schall reflektiert. Damit der von der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 reflektierte Schall nicht direkt an den Ultraschallwandler 2 zurückreflektiert wird, ist die Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 vorzugsweise angeschrägt oder gewölbt ausgebildet. Auf diese Weise wirkt die Außenseite 25 als Reflektor oder Diffusor, wobei die Schallwellen bei Re- flexion so umgelenkt werden, dass sie nicht auf den Ultraschallwandler zurückreflektiert werden. Der Weg, den die Schallwellen vom Ultraschallwandler 2 bei angeschrägter Au- ßenseite 25 zurücklegen, ist in Figur 5 mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet. Auch bei Ein- satz einer Blende ohne zweiten Reflektor 8 zwischen den Blendenöffnungen 17,18 ist die Außenseite 25 der Wand zwischen den Blendenöffnungen 17,18 vorzugsweise so ge- staltet, dass eine Reflexion des Ultraschalls von der Außenseite 25 zum Ultraschallwandler 2 vermieden wird Bei unverschlossenen Blendenöffnungen 17,18 strömt Fluid 4 aus dem im Messkanal 3 durch die Blendenöffnungen 17, 18 in einen Raum 28 unterhalb des Ultraschallwandlers 2.

Damit kein Fluid 4 aus dem Raum 28 austreten kann, ist der Raum 28 durch Wände 29 be- grenzt. Die Wände 29 verbinden dabei die erste Kanalwand 13 des Messkanals 3 mit dem Ultraschallwandler 2. Eine Durchströmung des Raumes 28 wird behindert durch Aufnahme einer Wand 27, die sich vom Reflektorkörper 31 in Richtung des Ultraschallwandlers 2 er- streckt. Wenn die Wand 27 so ausgeführt ist, dass sie mit dem Reflektorkörper 23 verbun- den ist, strömt das Fluid entlang der Richtung der Schallwellen. Hierdurch ergibt sich eine Verschlechterung des Messsignales. Abhilfe kann hier eine Durchflussöffnung 30 schaffen, welche direkt oberhalb der Außenseite 25 des Reflektorkörpers 31 angeordnet ist. In diesem Fall wird der Reflektor 31 nahe umströmt und nicht entlang der gesamten Schalllaufstrecke außerhalb des Messkanals 3.

Bezugszeichenliste Ultraschall-Durchflussmesser 2 Ultraschallwandler 3 Messkanal 4 Fluid 5 Schallkegel 6 Rand des Ultraschallimpulses 7 erster Reflektor 8 zweiter Reflektor 9 Ultraschallweg 10 erste Richtung 11 zweite Richtung 12 Geschwindigkeitsprofil 13 erste Kanalwand 14 zweite Kanalwand 15 Blende 16 dritter Reflektor 17 erste Blendenöffnung 18 zweite Blendenöffnung 19 Abstrahlwinkel 20 Ausbuchtung 21 Kanalmitte 22 Doppelkeulencharakteristik 23 Reflektorkörper 24 Reflektoraufsatz 25 Außenseite 26 Schallweg 27 Wand 28 Raum 29 Wand des Raumes 28 30 Durchflussöffnung 31 Reflektorkörper sl, sa Wegkomponente s3 halbe effektive Wegkomponente