Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße.

Eine Möglichkeit einen Durchfluss durch ein Messrohr zu messen, sind Ultraschallzähler. Bei diesen wird wenigstens ein Ultraschallwandler genutzt, um eine Ultraschallwelle in das durch das Messrohr strömende Fluid einzukoppeln, wobei diese auf einem geraden Weg oder nach mehreren Reflexionen an Wänden oder speziellen Reflexionselementen zu einem zweiten Ultraschallwandler geführt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern bzw. aus einem Laufzeitunterschied bei einer

Vertauschung von Sender und Empfänger kann eine Durchflussgeschwindigkeit durch das Messrohr bestimmt werden.

Aus dem Artikel G. Lindner,„Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces“, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 123002, ist es bekannt, zur Anregung von geführten Wellen sogenannte Interdigitaltransducer zu nutzen, bei denen ein piezoelektrisches Element genutzt wird, das kammartig ineinandergreifende Steuerleitungen aufweist, um eine Anregung bestimmter Anregungsmoden geführter Wellen zu erreichen. Da notwendigerweise Schermoden des piezoelektrischen Elements angeregt werden, werden typischerweise keine hohen Wirkungsgrade der Anregung erreicht. Zudem ist eine relativ aufwändige, hochgenaue Lithographie erforderlich, um die erforderliche Elektrodenstruktur mit ausreichender Exaktheit aufzubringen, wobei häufig dennoch keine ausreichende Modenreinheit der Anregung erreicht wird.

Eine Anregung einer modenreinen geführten Welle ist jedoch für eine Nutzung in einem Ultraschallzähler hochrelevant, da der Winkel, in dem Kompressionsschwingungen in das Fluid abgestrahlt werden, von der Phasengeschwindigkeit der geführten Welle abhängt, die typischerweise in unterschiedlichen Anregungsmoden bei gleicher angeregter

Frequenz unterschiedlich ist. Werden verschiedene Moden angeregt, so resultieren verschiedene Ausbreitungspfade für die Kompressionsschwingungen im Fluid, die allenfalls durch eine aufwändige Signalauswertung herausgerechnet werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die geführte Wellen zur Messung nutzt, wobei bei geringem Bauraumbedarf und einfachem Aufbau vorzugsweise eine möglichst modenreine Anregung von geführten Wellen ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die eine Steuereinrichtung, ein das Fluid aufnehmendes und/oder von dem Fluid durchströmbares Messrohr und einen an dem Messrohr angeordneten, ersten Schwingungswandler umfasst, wobei der erste Schwingungswandler genau eine

Schwingeinrichtung oder mehrere voneinander beabstandete Schwingeinrichtungen umfasst, wobei die Schwingeinrichtung oder die Schwingeinrichtungen jeweils aus einem Schwingkörper und einer messrohrseitigen Elektrode, die an einer messrohrseitigen Seitenfläche des jeweiligen Schwingkörpers angeordnet ist, und einer

messrohrabgewandten Elektrode, die an einer der messrohrseitigen Seitenfläche gegenüberliegenden, messrohrabgewandten Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet ist, besteht oder bestehen, wobei sich die messrohrseitige Elektrode und die messrohrabgewandte Elektrode auf eine jeweilige weitere Seitenfläche des

Schwingkörpers erstrecken, die gewinkelt zu der messrohrseitigen und der

messrohrabgewandten Seitenfläche steht, wobei durch die Steuereinrichtung eine Spannung zwischen der messrohrseitigen und der messrohrabgewandten Elektrode variierbar ist, um durch die Schwingeinrichtung oder durch die Schwingeinrichtungen des ersten Schwingungswandlers gemeinsam eine in einer Seitenwand des Messrohrs geführte Welle anzuregen, die direkt über die Seitenwand oder indirekt über das Fluid zu einem an dem Messrohr angeordneten zweiten Schwingungswandler oder zurück zu dem ersten Schwingungswandler führbar und dort durch die Steuereinrichtung zur Ermittlung von Messdaten erfassbar ist, wobei die Fluidgröße durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Messdaten ermittelbar ist.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, eine im Messrohr geführte Welle, die im Rahmen der Ermittlung der Fluidgröße genutzt wird, durch eine Schwingungseinrichtung oder gemeinsam durch mehrere Schwingungseinrichtungen anzuregen, bei denen sich die messrohrabgewandte Elektrode und die messrohrseitige Elektrode jeweils auf zumindest eine jeweilige weitere Seitenfläche des Schwingkörpers, der beispielsweise durch einen Block aus piezoelektrischem Material gebildet sein kann, erstrecken. Hierbei ist es bekannt, dass ein Führen der messrohrseitigen Elektrode entlang einer weiteren Seitenfläche bzw. bis auf die messrohrabgewandte Seitenfläche hin ein Kontaktieren dieser Elektrode erleichtert. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch festgestellt, dass eine asymmetrische Elektrodenstruktur, bei der beispielsweise die messrohrseitige Elektrode zumindest teilweise um den Schwingkörper herumgeführt ist, während die messrohrabgewandte Elektrode ausschließlich auf der messrohrabgewandten

Seitenfläche angeordnet ist, die Eigenmoden der Schwingeinrichtung auf eine Weise beeinflusst, die bei einer möglichst modenreinen gewünschten Anregung von geführten Wellen in der Seitenwand des Messrohrs hinderlich sein kann. Aus einer asymmetrischen Anordnung der Elektroden resultiert einerseits eine Asymmetrie der mechanischen Eigenschaften der Schwingeinrichtung und andererseits eine asymmetrische

Feldverteilung im Schwingkörper beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden. Es wurde erkannt, dass selbst in dem Fall, wenn im Wesentlichen ebene geführte Wellen senkrecht zu jener Richtung angeregt werden, in der diese Asymmetrie auftritt, eine solche Asymmetrie eine modenreine Anregung verhindern oder zumindest erschweren kann. Es wurde jedoch erkannt, dass eine solche Asymmetrie dadurch behoben werden kann, dass sich auch die messrohrabgewandte Elektrode auf eine weitere Seitenfläche des Schwingkörpers erstreckt bzw. sogar bis hinauf die messrohrseitige Seitenfläche erstreckt. Hierdurch kann die Symmetrie der Elektroden und somit die Symmetrie der gesamten Schwingeinrichtung erhöht werden. Es wurde erkannt, dass dies zur Anregung von modenreinen Schwingungen vorteilhaft ist.

Soll beispielsweise eine im Wesentlichen ebene geführte Welle, beispielsweise in

Längsrichtung des Messrohrs, angeregt werden, kann dies dadurch erreicht werden, dass Abmessungen der Messeinrichtung auf eine Wellenlänge einer gewünschten

Schwingungsmode abgestimmt werden, um deren Anregung zu verstärken, bzw. auf die Wellenlänge einer zu dämpfenden Schwingungsmode abgestimmt werden, um eine Anregung dieser Schwingungsmode zu unterdrücken bzw. eine Amplitude dieser

Schwingungsmode zu reduzieren. Wird das Messrohr beispielsweise in mehreren

Anregungsbereichen angeregt, deren Mittenabstand der halben Wellenlänge einer bestimmten Schwingungsmode bei einer aktuell genutzten Anregungsfrequenz entspricht, so wird diese Schwingungsmode bei einer gleichphasigen Anregung bzw. bei Anregung mit gleicher Polarität gedämpft und bei einem Phasenversatz der Anregung von 180° bzw. einer umgekehrten Polarität der Anregung in den Anregungsbereichen verstärkt. Ist der Abstand zwischen den Mitten der Anregungsbereiche hingegen ein ganzzahliges

Vielfaches der Wellenlänge der entsprechenden Schwingungsmode, so gilt die

umgekehrte Beziehung.

Eine gleichphasige Anregung in beabstandeten Anregungsbereichen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Schwingeinrichtung nur in diesen Anregungsbereichen mit der Seitenwand des Messrohrs gekoppelt ist. Dies ist

beispielsweise durch eine entsprechende Strukturierung der Seitenwand des Messrohrs, also beispielsweise durch das Vorsehen von beabstandeten Erhebungen bzw.

Vertiefungen, oder durch die Nutzung eines entsprechend strukturierten

Kopplungselements zwischen Schwingeinrichtung und Seitenwand möglich.

Alternativ oder ergänzend können mehrere beabstandet voneinander angeordnete Schwingeinrichtungen genutzt werden, die jeweils mit einem oder mehreren

Anregungsbereichen gekoppelt sind. Diese können gleichphasig betrieben werden, um eine gleichphasige Anregung in den zugeordneten Anregungsbereichen zu erreichen. Alternativ kann das Anregungssignal für Teile der Schwingeinrichtungen invertiert oder phasengeschoben werden, um eine phasenverschobene oder invertierte Anregung zu erreichen.

Unabhängig von der konkreten Implementierung der Anregung in den verschiedenen Anregungsbereichen können durch die Schwingeinrichtung oder Schwingeinrichtungen in mehreren voneinander beabstandeten Anregungsbereichen jeweils in der Wand geführte Teilwellen angeregt werden, die sich zu der jeweiligen Gesamtwelle überlagern, wobei der Abstand zwischen den Mitten der Anregungsbereiche und die Anregungsfrequenz derart gewählt sind, dass eine zu dämpfende Schwingungsmode durch eine destruktive

Interferenz der Teilwelle zumindest in einer Ausbreitungsrichtung zumindest teilweise ausgelöscht wird. Insbesondere wenn die Schwingeinrichtung oder die

Schwingeinrichtungen hierbei resonant betrieben werden sollen, also eine

Eigenschwingung der Schwingeinrichtung oder Schwingeinrichtungen für eine besonders effiziente Anregung genutzt werden soll, können asymmetrische Eigenschwingungen die erreichbare Modenreinheit reduzieren. Dies wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Erhöhung der Symmetrie durch Ziehen sowohl der messrohrabgewandten Elektrode als auch der messrohrseitigen Elektrode auf eine jeweilige weitere Seitenfläche vermieden bzw. dieser Effekt wird reduziert.

Für eine Vielzahl von Messaufgaben, beispielsweise zur Ermittlung eines Durchflusses, soll die in der Seitenwand geführte Welle eine Kompressionsschwingung im Fluid anregen. Zu diesem Zweck können vorzugsweise Lamb-Wellen in der Seitenwand angeregt werden. Bei diesen handelt es sich um kombinierte Druck- und Scherwellen, womit auch bei einer Anregung an der Außenseite der Wand des Messrohrs eine

Auslenkung der Innenfläche der Wand in Richtung des Fluids bzw. von dem Fluid weg resultiert. Hierdurch werden Kompressionswellen im Fluid ausgelöst. Der gesamte Bereich, innerhalb dem sich die geführte Welle auf der Wand ausbreitet, kann somit als Anregungsfläche für die Kompressionsschwingung des Fluids dienen. Umgekehrt kann die Kompressionsschwingung des Fluids in einem ausgedehnten Bereich der Wand wiederum eine geführte Welle anregen, die durch den jeweiligen empfangenden

Schwingungswandler erfasst werden kann. In diesem Fall kann durch den gewählten Abstand der Anregungsbereiche und optional durch eine Wahl des Vorzeichens oder der Phase bei der Überlagerung der in verschiedenen Anregungsbereichen erfassten

Messsignale eine Wellenlängenselektivität und somit eine Modenselektivität der Messung erreicht werden. Bei Lamb-Wellen sind auch bei niedrigen Anregungsfrequenzen stets zwei Schwingungsmoden anregbar, wobei durch die obig beschriebene Bedämpfung einer dieser Schwingungsmoden eine weitgehend modenreine Anregung bzw. Messung erfolgen kann.

In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können die messrohrseitige und die messrohrabgewandte Seitenfläche zueinander und/oder zu einer Außenfläche des Messrohrs im Wesentlichen parallel sein, das heißt sie können zum Beispiel einen Winkel von weniger als 5°, weniger als 3° oder weniger als 1 ° einschließen. Die weiteren

Seitenflächen können insbesondere im Wesentlichen senkrecht auf der messrohrseitigen und/oder der messrohrabgewandten Seitenfläche stehen, das heißt zum Beispiel mit der Senkrechten einen Winkel von weniger als 5°, weniger als 3° oder weniger als 1 ° einschließen. Die weiteren Seitenflächen können einander insbesondere im Wesentlichen parallel gegenüberliegen. Der Schwingkörper kann insbesondere quaderförmig sein.

Die Elektroden können die weitere Seitenfläche, an der sie angeordnet sind, jeweils im Wesentlichen vollständig, also beispielsweise zu wenigstens 70% oder zu wenigstens 80%, bedecken. Die messrohrseitige Elektrode kann sich über die weitere Seitenfläche bis auf die messrohrabgewandte Seitenfläche erstrecken und diese teilweise bedecken und umgekehrt.

Werden mehrere Schwingeinrichtungen in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung genutzt, so können diese insbesondere in eine Längsrichtung und/oder in eine

Querrichtung des Messrohres voneinander beabstandet angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle Schwingeinrichtungen auf gleicher Höhe in Richtung senkrecht zu der

Seitenwand des Messrohrs angeordnet. Insbesondere werden Schwingeinrichtungen oder Schwingkörper nicht übereinander in Richtung senkrecht zur Seitenwand des Messrohrs gestapelt. Die beabstandete Anordnung der Schwingeinrichtungen bedeutet

insbesondere, dass sich weder die Schwingkörper noch die Elektroden der verschiedenen Schwingeinrichtungen berühren.

Durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung können Messungen an einer durch das Messrohr strömenden Fluidströmung, jedoch auch an einem in dem Messrohr stehenden Fluid durchgeführt werden. Die Nutzung eines Schwingungstransports zur Erfassung von Fluideigenschaften ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden in bereits eingangs erläuterten Ultraschallzählern Laufzeiten beziehungsweise

Laufzeitunterschiede einer Schwingung erfasst und hieraus kann eine

Flussgeschwindigkeit beziehungsweise ein Durchfluss bestimmt werden. Es können jedoch auch andere Messdaten ausgewertet werden, um Fluideigenschaften zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Signalamplitude am empfangenden

Schwingungswandler ausgewertet werden, um eine Dämpfung der Schwingung beim Transport durch das Fluid zu erfassen. Amplituden können auch frequenzabhängig ausgewertet werden und es können absolute oder relative Amplituden bestimmter Spektralbereiche ausgewertet werden, um ein spektral unterschiedliches

Dämpfungsverhalten im Fluid zu erfassen. Auch Phasenlagen unterschiedlicher

Frequenzbänder können ausgewertet werden, um beispielsweise Informationen über das Dispersionsverhalten der Messstrecke zu gewinnen. Vorzugsweise können Informationen über das Dispersionsverhalten der Druckwelle im Fluid und/oder über das

Dispersionsverhalten der geführten Welle in der Seitenwand ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend können auch Veränderungen der spektralen Zusammensetzung beziehungsweise der Amplitude über die Zeit, beispielsweise innerhalb eines Messpulses, ausgewertet werden.

Durch Auswertung dieser Größen können als Fluidgrößen beispielsweise eine

Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen und/oder eine Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Fluids ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ können beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit im Fluid und/oder eine

Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise ein Mischungsverhältnis unterschiedlicher Komponenten, ermittelt werden. Verschiedene Ansätze zur Gewinnung dieser

Fluidgrößen aus den vorangehend erläuterten Messgrößen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert dargestellt werden. Beispielsweise können Zusammenhänge zwischen einer oder mehreren Messgrößen und der Fluidgröße empirisch ermittelt werden und es kann beispielsweise eine Look-up-Tabelle oder eine entsprechende Formel genutzt werden, um die Fluidgröße zu ermitteln.

In einigen Fällen kann es auch möglich sein, eine Fluidgröße ausschließlich in

Abhängigkeit des Transports der geführten Welle durch die Seitenwand des Messrohrs zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Druck des Fluids zu einer Verformung der

beziehungsweise einer Kraft auf die Seitenwand führen, womit sich die Eigenschaften der Seitenwand bezüglich des Transports geführter Wellen, insbesondere die

Schallgeschwindigkeit, verändern können. Durch Erfassung einer Laufzeit oder Ähnliches kann somit auf den Druck des Fluids geschlossen werden.

Die messrohrseitige Elektrode kann ausschließlich an der messrohrseitigen Seitenfläche und genau einer der weiteren Seitenflächen und die messrohrabgewandte Elektrode ausschließlich an der messrohrabgewandten Seitenfläche und genau einer anderen der weiteren Seitenflächen angeordnet sein. Alternativ können die messrohrseitige und die messrohrabgewandte Elektrode an einer jeweiligen weiteren Seitenfläche und der messrohrseitigen Seitenfläche und der messrohrabgewandten Seitenfläche angeordnet sein. Im ersten Fall werden ähnliche Schwingungsmoden erreicht, wie in dem Fall, dass die messrohrabgewandte Elektrode ausschließlich an der messrohrabgewandten

Seitenfläche und die messrohrseitige Elektrode ausschließlich an der messrohrseitigen Seitenfläche angeordnet wird. Es kann somit die gesamte Grundfläche des

Schwingkörpers zur Schwingungsanregung genutzt werden, wobei dennoch eine leichte Kontaktierung durch Bereitstellung der Elektroden an den Seitenflächen erreicht werden kann. Im zweiten Fall führt das Führen der messrohrabgewandten Elektrode auf die messrohrseitige Seitenfläche und umgekehrt, wie später noch genauer erläutert wird, dazu, dass Teile des Schwingkörpers im Wesentlichen feldfrei sind und somit nicht zu Schwingungen angeregt werden. Dies kann vorteilhaft sein, um die Schwingeinrichtung zu haltern oder eine Kontaktierung in einem nicht oder wenig schwingenden Bereich durchzuführen.

Im zweiten diskutierten Fall kann die von der messrohrseitigen Elektrode bedeckte Teilfläche der messrohrabgewandten Seitenfläche wesentlich kleiner, also beispielsweise wenigstens um den Faktor 3, wenigstens um den Faktor 5 oder wenigstens um den Faktor 10 kleiner sein, als die von der messrohrabgewandten Elektrode bedeckte

Teilfläche der messrohrabgewandten Seitenfläche und umgekehrt. Die Erstreckung der jeweiligen Elektroden auf die ihnen nicht zugeordneten Seitenflächen kann ausschließlich der Kontaktierung der Elektrode beziehungsweise der Bereitstellung nichtschwingender Bereiche beziehungsweise der Herstellung von Symmetrie dienen, wobei eine zu große Bedeckungsfläche nachteilig wäre.

Die messrohrabgewandte Elektrode und die messrohrseitige Elektrode sind

gegeneinander isoliert. Im Bereich der Schwingeinrichtung kann die Isolierung

insbesondere dadurch erfolgen, dass zwischen den Elektroden ein Bereich des

Schwingkörpers nicht mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist. Durch Anpassung der Breite beziehungsweise Form dieser nicht leitfähig beschichteten Teilfläche kann insbesondere die elektrische Impedanz der Schwingeinrichtung angepasst werden, da die Kapazität zwischen den Elektroden hiervon abhängt. Somit ist es möglich, eine elektrische Resonanzfrequenz eines Schwingkreises durch Anpassung der Breite oder Form dieser Teilfläche anzupassen. Die Form der Elektroden und/oder der

Bedeckungsgrad des Schwingkörpers durch die Elektroden können auch dazu genutzt werden, um eine mechanische Resonanzfrequenz des Schwingelements vorzugeben.

Die messrohrabgewandte Elektrode kann die messrohrabgewandte Seiteninnenfläche und die Seitenfläche auf die sie sich erstreckt nahezu vollständig, also beispielsweise zu wenigstens 80 % oder 90 % bedecken. Ebenso kann die messrohrseitige Elektrode die messrohrseitige Seitenfläche und die zugeordnete weitere Seitenfläche nahezu vollständig bedecken.

Die messrohrseitige Elektrode und die messrohrabgewandte Elektrode der oder der jeweiligen Schwingeinrichtung können zueinander eine 2-zählige Drehsymmetrie aufweisen. Anders ausgedrückt wird die messrohrseitige Elektrode bei einer Drehung der gesamten Schwingeinrichtung um eine Symmetrieachse um 180° auf die

messrohrabgewandte Elektrode abgebildet und umgekehrt. Dies entspricht einer Punktsymmetrie eines Schnitts durch die Schwingeinrichtung senkrecht zur

Symmetrieachse bezüglich der beiden Elektroden. Vorzugsweise ist das gesamte Schwingelement, abgesehen von der Polarisierung des Schwingkörpers, also

beispielsweise des piezoelektrischen Materials, derart drehsymmetrisch. Offensichtlich können produktions- beziehungsweise designbedingt geringe Abweichungen von der genannten Drehsymmetrie auftreten. Beispielsweise kann die Form der messrohrseitigen Elektrode von der Form der messrohrabgewandten Elektrode nach der genannten Abbildung beispielsweise um maximal 1 mm oder 2 mm oder 5 mm beziehungsweise um maximal 1 %, 3 % oder 5 % der längsten Seitenlänge des Schwingkörpers abweichen. Durch eine symmetrische Ausgestaltung der Elektroden beziehungsweise der gesamten Schwingeinrichtung resultiert auch eine entsprechende Symmetrie der

Schwingungsmoden. Gegenüber Schwingeinrichtungen, bei denen ausschließlich eine der Elektroden auf die weitere Seitenwand beziehungsweise die gegenüberliegende Seitenwand geführt ist, werden somit die Eigenmoden weniger gestört, was wie vorangehend erläutert, für eine modenreine Anregung vorteilhaft sein kann. Zudem wird durch eine solche Drehsymmetrie der Schwingeinrichtung erreicht, dass es, abgesehen von einer Polarisation des Schwingkörpers, unwesentlich ist, ob die messrohrseitige Seitenfläche des Schwingkörpers oder versehentlich aufgrund eines fehlerhaften Aufbaus die eigentliche messrohrabgewandte Seitenfläche des Schwingkörpers zum Messrohr hin angeordnet wird. Eine solche„falsche“ Anordnung der Schwingeinrichtung am Messrohr kann somit dadurch kompensiert werden, dass die Polarität der Ansteuerung

entsprechend umgekehrt wird. Hierdurch kann potentiell der Aufbau der Messeinrichtung vereinfacht werden beziehungsweise eine fehlerhafte Anordnung der

Schwingeinrichtungen an dem Messrohr führt nicht notwendigerweise zu einer erforderlichen Aussonderung der fehlerhaft aufgebauten Messeinrichtung, sondern diese kann nach einfachen Korrekturmaßnahmen weiter genutzt werden. Die messrohrseitige Elektrode kann die messrohrseitige Seitenfläche und/oder die messrohrabgewandte Elektrode die messrohrabgewandte Seitenfläche zu wenigstens 50 % bedecken. Ergänzend oder alternativ können die messrohrseitige und die

messrohrabgewandte Elektrode die jeweilige weitere Seitenfläche, an der sie angeordnet sind, zu wenigstens 50 % bedecken. Besonders bevorzugt werden die Seitenflächen im Wesentlichen vollständig durch die jeweilige Elektrode bedeckt. Wird an der

messrohrabgewandten Seitenfläche ausschließlich die messrohrabgewandte Elektrode angeordnet und umgekehrt, kann die jeweilige Elektrode die jeweilige Seitenfläche im Wesentlichen vollständig bedecken. Sind an der messrohrabgewandten Seitenfläche und der messrohrseitigen Seitenfläche jeweils beide Elektroden angeordnet, so ist der verfügbare Bedeckungssgrad geringer, da Platz für die jeweils andere Elektrode und einen zwischen den Elektroden liegenden, nichtleitenden Isolationsstreifen bleiben muss.

Die, die jeweilige oder jede Schwingeinrichtung kann quaderförmig sein, wobei die messrohrseitige und die messrohrabgewandte Seitenfläche durch eine Längsrichtung und eine Querrichtung des Quaders aufgespannt werden, wobei die Schwingeinrichtung in Querrichtung an einem ersten Rand einen ersten Randbereich und an einem gegenüberliegenden zweiten Rand einen zweiten Randbereich aufweist, wobei in dem ersten Randbereich sowohl an der messrohrseitigen Seitenfläche als auch an der messrohrabgewandten Seitenfläche ausschließlich die messrohrseitige Elektrode angeordnet ist und in dem zweiten Randbereich sowohl an der messrohrseitigen

Seitenfläche als auch an der messrohrabgewandten Seitenfläche ausschließlich die messrohrabgewandte Elektrode angeordnet ist. Beim Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden sind die Randbereiche der Schwingeinrichtung beziehungsweise des Schwingkörpers somit weitgehend feldfrei und es erfolgt somit beispielsweise bei einem piezoelektrischen Schwingkörper keine oder nur eine geringförmige Verformung des Schwingkörpers im Randbereich. Die Randbereiche schwingen somit nicht oder mit erheblich geringerer Amplitude als weitere Bereiche der Schwingeinrichtung und sind somit besonders geeignet, um die Schwingeinrichtung zu haltern beziehungsweise zu kontaktieren, wobei insbesondere eine Beeinflussung der Eigenmoden der Schwingung bei einer Halterung beziehungsweise Kontaktierung in diesen Bereichen weitgehend vermieden werden kann.

Vorzugsweise ist die messrohrseitige Elektrode an der weiteren Seitenfläche angeordnet, die den Schwingkörper im ersten Randbereich in Querrichtung begrenzt und umgekehrt.

Die Schwingeinrichtung kann in dem ersten und/oder dem zweiten Randbereich an einer Halteeinrichtung befestigt sein und/oder die messrohrseitige Elektrode kann in dem ersten Randbereich und/oder die messrohrabgewandte Elektrode kann in dem zweiten

Randbereich elektrisch kontaktiert sein. Die Halteeinrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse beziehungsweise ein Träger für die Schwingelemente sein, das oder der insbesondere die relative Anordnung mehrerer in einem Schwingwandler genutzter Schwingeinrichtungen zueinander vorgibt, um beispielsweise eine Abstimmung von Abständen von Anregungsbereichen und einer zur Anregung genutzten Wellenlänge zu erreichen, wie vorangehend erläutert wurde.

Die messrohrseitige und die messrohrabgewandte Elektrode können elektrisch an der messrohrabgewandten Seitenfläche oder an der weiteren Seitenfläche, auf die sich die jeweilige Elektrode erstreckt, kontaktiert werden. Dies ist vorteilhaft, da entsprechende Kontaktbereiche auch nach einer Anordnung am Messrohr leicht zugänglich sein können. Bei einer seitlichen Kontaktierung beziehungsweise bei einer Kontaktierung der messrohrabgewandten Seite in den vorangehend erläuterten Randbereichen erfolgt eine Kontaktierung zudem in Bereichen die wenig schwingen, womit die Kontakte weniger mechanisch belastet werden.

Der Schwingkörper kann aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise aus einer Piezokeramik, gebildet sein. Vorzugsweise wird genau ein Block aus piezoelektrischem Material als Schwingkörper genutzt, der durch genau zwei Elektroden, nämlich die messrohrseitige und die messrohrabgewandte Elektrode, kontaktiert wird.

Die messrohrseitige Elektrode kann das Messrohr oder ein Kopplungselement, das das Messrohr mit dem Schwingelement koppelt, mechanisch kontaktieren. Das

Kopplungselement kann insbesondere isolierend sein. Insbesondere nutzt die

erfindungsgemäße Messeinrichtung vorzugsweise keine senkrecht zur Seitenfläche des Messrohrs gestapelten Schwingelemente oder Schwingkörper. Anders ausgedrückt werden die Schwingeinrichtungen vorzugsweise nicht gestapelt beziehungsweise es wird eine Stapelhöhe von genau einer Schwingeinrichtung genutzt. Vorzugsweise liegen alle Schwingeinrichtungen eines Schwingungswandlers in einer Ebene, die sich parallel zu der Seitenwand des Messrohrs erstreckt.

Die messrohrabgewandte Seitenfläche kann abgesehen von der daran angeordneten messrohrabgewandten Elektrode oder den daran angeordneten messrohrabgewandten und messrohrseitigen Elektroden zumindest außerhalb der Randbereiche freischwingend angeordnet sein. Insbesondere sind weder die messrohrabgewandte Seitenfläche noch jener Abschnitt der messrohrabgewandten Elektrode, der an der messrohrabgewandten Seitenfläche angeordnet ist, außerhalb der Randbereiche im Kontakt mit einer weiteren Komponente der Messeinrichtung. Hierdurch kann eine Störung der Eigenmode der Schwingeinrichtung beziehungsweise eine Bedämpfung der Schwingung vermieden werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden

Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,

Fig. 2 eine Detailansicht eines Schwingungswandlers der in Fig. 1 gezeigten

Messeinrichtung, und Fig. 3 eine Detailansicht eines Schwingungswandlers eines weiteren

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine

Fluidströmung betreffenden Fluidgröße. Das Fluid wird hierbei in eine durch den Pfeil 7 gezeigte Richtung durch einen Innenraum 4 eines Messrohrs 3 geführt. Um die

Fluidgröße, insbesondere ein Durchflussvolumen, zu ermitteln, kann durch die

Steuereinrichtung 2 eine Laufzeitdifferenz zwischen den Laufzeiten von einem ersten Schwingungswandler 5 zu einem zweiten Schwingungswandler 6 und umgekehrt ermittelt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass diese Laufzeit von einer

Geschwindigkeitskomponente des Fluids parallel zu einer Ausbreitungsrichtung eines Ultraschallstrahls 8 durch das Fluid abhängt. Aus dieser Laufzeit kann somit eine über den Pfad des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 gemittelte Flussgeschwindigkeit in Richtung des jeweiligen Ultraschallstrahls 8 und somit näherungsweise eine gemittelte

Strömungsgeschwindigkeit in dem von dem Ultraschallstrahl 8 durchquerten Volumen ermittelt werden.

Um einerseits eine Anordnung der Schwingungswandler 5, 6 außerhalb des Messrohrs 3 zu ermöglichen und andererseits eine Empfindlichkeit bezüglich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen Positionen des Strömungsprofils zu reduzieren, wird durch den ersten Schwingungswandler 5 nicht direkt ein Ultraschallstrahl 8, also eine Druckwelle, in dem Fluid induziert. Stattdessen wird durch den

Schwingungswandler 5 eine geführte Welle in der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 angeregt. Die Anregung erfolgt mit einer Frequenz, die derart gewählt ist, dass eine Lamb-Welle in der Seitenwand 9 angeregt wird. Solche Wellen können angeregt werden, wenn die Dicke 10 der Seitenwand 9 vergleichbar mit der Wellenlänge der

Transversalwelle im Festkörper ist, welche sich aus dem Verhältnis der

Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle im Festkörper und der angeregten Frequenz ergibt.

Die durch den Schwingungswandler 5 in der Seitenwand 9 angeregte geführte Welle ist schematisch durch den Pfeil 1 1 dargestellt. Durch die geführte Welle werden

Kompressionsschwingungen des Fluids angeregt, die im gesamten Ausbreitungspfad der geführten Welle in das Fluid abgestrahlt werden. Dies ist schematisch durch die in Strömungsrichtung zueinander versetzten Ultraschallstrahlen 8 dargestellt. Die

Abstrahlung erfolgt gewinkelt zur Seitenwand 9 unter dem Rayleigh-Winkel 14. Die abgestrahlten Ultraschallstrahlen 8 werden an der gegenüberliegenden Seitenwand 12 reflektiert und über das Fluid zurück zu der Seitenwand 9 geführt. Dort regen die auftreffenden Ultraschallstrahlen 8 erneut eine geführte Welle in der Seitenwand 9 an, die schematisch durch den Pfeil 13 dargestellt ist und die durch den Schwingungswandler 6 erfasst werden kann, um die Laufzeit zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die abgestrahlten Ultraschallwellen über einen Schwingungswandler 15 zu erfassen, der an der Seitenwand 12 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallstrahlen 8 auf ihrem Pfad zum Schwingungswandler 6, 15 nicht bzw. nur einmal an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert. Es wäre selbstverständlich möglich, eine längere Messstrecke zu nutzen, wobei die Ultraschallstrahlen 8 mehrfach an den Seitenwänden 9, 12 reflektiert werden.

Um eine weitgehend modenreine Anregung beziehungsweise eine Modenselektivität beim Erfassen einer Schwingung zu erreichen, werden in den Schwingungswandlern 5, 6 jeweils eine oder mehrere Schwingeinrichtungen genutzt, die die Seitenwand 9 des Messrohrs 3 in in Längsrichtung des Messrohrs voneinander beabstandeten

Anregungsbereichen kontaktieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass mehrere beabstandete Schwingeinrichtungen genutzt werden oder durch eine entsprechende Formung der Seitenwand 9 oder eines, insbesondere isolierenden, Kopplungselements, das zwischen der Seitenwand 9 und der jeweiligen Schwingeinrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht es, relativ einfach aufgebaute Schwingeinrichtungen zu nutzen, die im Detail im Folgenden mit Bezug auf Fig. 2 erläutert werden.

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des in Fig. 1 schematisch dargestellten

Schwingungswandlers 5, wobei ein Schnitt durch eine von zwei genutzten

Schwingeinrichtungen 16 genutzt wird. Die Schwingeinrichtungen 16 sind senkrecht zur Bildebene in Fig. 2, also in Längsrichtung des Rohres, beabstandet zueinander angeordnet. Somit kann durch den Betrieb der Schwingeinrichtungen 16 die Seitenwand 9 in beabstandeten Anregungsbereichen angeregt werden. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um eine weitgehend modenreine Anregung einer Lamb-Welle in der Seitenwand 9 zu realisieren.

Werden relativ niedrige Anregungsfrequenzen genutzt, so sind bei einer bestimmten Anregungsfrequenz Lamb-Wellen mit genau zwei Wellenlängen im Material der

Seitenwand 9 anregbar. Die Wellenlängen hängen von der Dispersionsrelation in der Seitenwand 9 ab. Wird nun beispielsweise der Abstand zwischen den Mitten der Schwingeinrichtungen 16 derart gewählt, dass er der halben Wellenlänge einer zu dämpfenden Schwingungsmode bei dieser Anregungsfrequenz entspricht und erfolgt die Anregung gleichphasig beziehungsweise mit dem gleichen Anregungssignal, wird die zu dämpfende Schwingungsmode durch Überlagerung der durch die beiden

Schwingeinrichtungen 16 angeregten Teilschwingungen weitgehend ausgelöscht.

Ähnliches gilt, wenn der Abstand einem ganzteiligen Vielfachen der Wellenlänge der zu dämpfenden Mode entspricht und die Anregung mit umgekehrter Polarität

beziehungsweise mit 180° Phasenversatz erfolgt. Durch Beabstandung der

Schwingeinrichtungen um ein Viertel einer Wellenlänge einer Schwingungsmode und einer Anregung mit einem Phasenversatz von 90° kann eine richtungsselektive

Abstrahlung erreicht werden. Somit sind durch entsprechende Wahl beziehungsweise Vorgabe einer Anregungsfrequenz, des Abstands zwischen den Schwingeinrichtungen und einer relativen Polarität beziehungsweise Phasenlage der Anregungen der verschiedenen Schwingungseinrichtungen verschiedene Anregungsmuster realisierbar.

Um einen einfachen Aufbau der Schwingeinrichtungen 16 zu realisieren, werden diese durch einen Schwingkörper 17, beispielsweise einem Block aus einem piezoelektrischen Material, eine messrohrseitige Elektrode 18 und eine messrohrabgewandte Elektrode 20 gebildet. Die messrohrseitige Elektrode 18 ist primär an der messrohrseitigen

Seitenfläche 19 des Schwingkörpers 17 angeordnet und die messrohrabgewandte Elektrode 20 primär an der messrohrabgewandten Seitenfläche 21 des Schwingkörpers 17. Die messrohrseitige Elektrode 18 erstreckt sich zudem über eine weitere Seitenfläche 22 und in einem Randabschnitt 27 auf die messrohrabgewandte Seitenfläche 21. Dies ermöglicht eine Kontaktierung beider Elektroden 18, 20 an der messrohrabgewandten Seitenfläche 21.

Würde ausschließlich die messrohrseitige Elektrode 18 um den Schwingkörper 17 zur Oberseite der Anordnung geführt, würde dies dazu führen, dass die Schwingeinrichtung 16 sowohl bezüglich ihrer mechanischen Ausgestaltung als auch bezüglich der resultierenden Feldverteilung bei Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden 18, 20 asymmetrisch wäre. Dies würde zu asymmetrischen Eigenmoden der

Schwingeinrichtung 16 führen. Es wurde erkannt, dass dies dazu führen kann, dass bei der Schwingungsanregung eine geringere Modenreinheit beziehungsweise beim Erfassen von Schwingungen eine schlechtere Modenselektivität erreicht wird. Um dies zu vermeiden ist bei der Schwingeinrichtung 16 auch die messrohrabgewandte Elektrode 20 entlang einer der weiteren Seitenfläche 22 gegenüberliegenden weiteren Seitenfläche 23 zur gegenüberliegenden Seite des Schwingkörpers 17 geführt und ist im Randbereich 28 auch an der messrohrzugewandten Seitenfläche 19 angeordnet. Dies führt dazu, dass die messrohrseitige Elektrode 18 und die messrohrabgewandte Elektrode 20 eine 2-zählige Drehsymmetrie um die Symmetrieachse 26 zueinander aufweisen. Dies entspricht in der gezeigten geschnittenen Darstellung einer Punktsymmetrie bezüglich des Schnittpunkts der Symmetrieachse 26 mit der Bildebene.

Aufgrund der gezeigten Anordnung der Elektroden 18, 20 ist der Schwingkörper 17 in den Randbereichen 27, 28 auch bei einem Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden 18, 20 weitgehend feldfrei, womit diese Bereiche nicht beziehungsweise verglichen mit dem mittleren Bereich des Schwingkörpers 17 mit einer erheblich reduzierten Amplitude schwingen. Dies ermöglicht es, dass die Kontakte 24, 25 zur Kontaktierung der

Elektroden in diesen Bereichen und eine Befestigung über eine Halteeinrichtung 29, die in diesen Bereichen angreift, die Schwingung der Schwingeinrichtung 16 nicht oder allenfalls geringfügig stören beziehungsweise bedampfen.

Um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 18, 20 zu vermeiden, sind isolierende Bereiche 30 vorgesehen, in denen der Schwingkörper 17 nicht mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist. Die Form und Abmessung der Bereiche 30 beeinflusst die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Schwingeinrichtung 16. Insbesondere wirkt sich die Form und Breite des Bereichs 30 auf die Kapazität zwischen den Elektroden 18, 20 aus und somit beispielsweise auf eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der zur resonanten Anregung der Schwingeinrichtung 16 genutzt werden kann. Im Rahmen des Designprozesses beziehungsweise der Fertigung kann somit beispielsweise durch Anpassung der Breite des Bereichs 30 oder ein Laser-Trimmen des Bereichs 30 eine gewünschte elektrische und/oder mechanische Resonanzfrequenz realisiert werden.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Detailansicht eines anderen

Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung. Hierbei werden Komponenten mit gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das in Fig. 3 gezeigte

Ausführungsbeispiel unterscheidet sich primär durch die Ausbildung der Elektroden 18, 20 von dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Statt die Elektroden 18, 20 in den jeweiligen Randbereichen 27, 28 bis zur jeweiligen gegenüberliegenden Seitenfläche 19, 21 zu ziehen, wird eine messrohrseitige Elektrode 18 genutzt, die sich ausschließlich entlang der messrohrseitigen Seitenfläche 19 und genau einer weiteren Seitenfläche 22 des Schwingkörpers 17 erstreckt und eine messrohrabgewandte Elektrode 20, die sich ausschließlich entlang der messrohrabgewandten Seitenfläche 21 und genau einer weiteren Seitenfläche 23 des Schwingkörpers 17 erstreckt. Auch diese Anordnung der Elektroden weist eine 2-zählige Drehsymmetrie bezüglich der Symmetrieachse 26 auf. Somit wird auch in diesem Fall die Symmetrie der Eigenmoden der Schwingungen der Schwingeinrichtung 16 nicht gestört. Eine Kontaktierung ist in diesem Fall beispielsweise über Kontakte 24, 25 an den Seitenflächen 22, 23 möglich.

Ein weiterer Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass, während in Fig. 2 die messrohrseitige Elektrode 18 in unmittelbarem Kontakt zu der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 steht, in Fig. 3 ein zwischen der Elektrode 18 und der Seitenwand 9 angeordnetes Kopplungselement 31 genutzt wird. Dies kann beispielsweise eine dünne elastische oder viskose Schicht sein, die einerseits zur Halterung der Schwingeinrichtung 16 an der Seitenwand dienen kann und andererseits dazu dienen kann, dass ausschließlich senkrecht zur Seitenwand 9 ein Kraftübertrag zwischen Schwingeinrichtung 16 und Seitenwand 9 möglich ist. Hierdurch kann beispielsweise eine Kopplung von Schermoden der Seitenwand 9 und der Schwingeinrichtung 16 reduziert beziehungsweise vermieden werden, wodurch die Eigenmoden der Schwingeinrichtung 16 im Wesentlichen unabhängig von den Schwingungsmoden in der Seitenwand 9 betrachtet werden können. Ein solches Kopplungselement kann auch genutzt werden, um die Schwingeinrichtung 16 in voneinander beabstandeten Anregungsbereichen mit der Seitenwand 9 des Messrohrs 3 zu koppeln. Beispielsweise kann das Kopplungselement 31 durch in Richtung senkrecht zur Bildebene in Fig. 3 beabstandete Streifen gebildet sein. Hierdurch kann die vorangehend diskutierte Anregung in beabstandeten

Anregungsbereichen, die zur modenreinen Anregung von Lamb-Wellen oder Ähnlichem dienen kann, auch bei Nutzung einer einzelnen Schwingeinrichtung 16 erfolgen.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele betreffen eine Messeinrichtung, die einen Durchfluss eines Fluids erfasst, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressionswellen im Fluid ausgewertet wird. Die beschriebene Ausgestaltung der Schwingeinrichtung 16 ist jedoch auch für andere Messeinrichtungen nutzbar, die Fluidgröße messen und hierbei in Seitenwänden eines Messrohrs geführte Wellen nutzen. Beispielsweise können auch Temperaturen, Drücke oder Ähnliches erfasst werden. In einigen Ausführungsformen kann es auch möglich sein, statt zwei Schwingungswandlern am Messrohr nur einen Schwingungswandler zu nutzen, zu dem die geführte Welle direkt oder durch das Fluid zurückgeführt wird, beispielsweise indem sie an einem Reflexionselement reflektiert wird oder nach einem Umlauf um das Messrohr in der Seitenwand 9. Bezugszeichenliste

1 Messeinrichtung

2 Steuereinrichtung 3 Messrohr

4 Innenraum

5 Schwingungswandler

6 Schwingungswandler

7 Pfeil

8 Ultraschallstrahl

9 Seitenwand

10 Dicke

11 Pfeil

12 Seitenwand

13 Pfeil

14 Rayleigh-Winkel

15 Schwingungswandler

16 Schwingeinrichtung

17 Schwingkörper 18 Elektrode

19 Seitenfläche

20 Elektrode

21 Seitenfläche

22 Seitenfläche

23 Seitenfläche

24 Kontakt

25 Kontakt

26 Symmetrieachse

27 Randbereich

28 Randbereich

29 Halteeinrichtung

30 Bereich

31 Kopplungselement