DE102015107567A1 - Arrangement comprising an ultrasonic transducer and clamp-on ultrasonic flowmeter - Google Patents

Arrangement comprising an ultrasonic transducer and clamp-on ultrasonic flowmeter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler, welcher vorgesehen ist zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Meßsignalen, und eine Wandung eines Behältnisses und/oder eines Rohres, wobei i der Ultraschallwandler ein Koppelelement aufweist, über das die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel- bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden, und ii die Anordnung eine Regel-/Auswerteeinheit aufweist, die anhand der Meßsignale bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder Behältnis strömenden Mediums ermittelt und/oder den Füllstand des Mediums in dem Behältnis ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11, 12) aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Glas besteht, und auf ein Clamp-On UltraschalldurchflussmessgerätThe invention relates to an arrangement comprising an ultrasonic transducer, which is provided for emitting and receiving ultrasonic measuring signals, and a wall of a container and / or a tube, wherein i the ultrasonic transducer has a coupling element, via which the ultrasonic measuring signals under a predetermined input or Auskoppelwinkel coupled into the container and / or pipe or be coupled out of the container and / or the pipe, and ii the arrangement comprises a control / evaluation, based on the measured signals or based on measurement data, the are derived from the measured signals, determines the volume and / or mass flow of a flowing medium in the pipe or container and / or determines the level of the medium in the container, characterized in that the coupling element (11, 12) consists of a block of a consists of silicon-containing glass, and a clamp-on ultrasonic flowmeter

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler und ein Clamp-On Ultraschalldurchflussmessgerät.The invention relates to an arrangement comprising an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flowmeter.

Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach in der Prozeß- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen- und/oder Massenstrom eines Mediums in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen.Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow the volumetric and / or mass flow of a medium in a pipeline to be determined without contact.

Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten entweder nach dem Doppler-Prinzip oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeit-Differenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschall-Meßsignalen in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausgewertet. Hierzu werden die Ultraschall-Meßsignale von den Ultraschallwandlern wechselweise in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums ausgesendet bzw. empfangen. Aus der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Meßsignale läßt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser der Rohrleitung der Volumendurchfluß bzw. bei bekannter oder gemessener Dichte des Mediums der Massendurchfluß bestimmen.The known ultrasonic flowmeters operate either on the Doppler principle or on the transit time difference principle. When running time difference principle, the different duration of ultrasonic measurement signals in the flow direction and against the flow direction of the medium is evaluated. For this purpose, the ultrasonic measuring signals are alternately transmitted or received by the ultrasonic transducers in the flow direction and counter to the flow direction of the medium. From the transit time difference of the ultrasonic measuring signals, the flow rate and thus at a known diameter of the pipe volume flow or at known or measured density of the medium mass flow can be determined.

Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschall-Meßsignale mit einer vorgegebenen Frequenz in das strömende Medium eingekoppelt. Die in dem Medium reflektierten Ultraschall-Meßsignale werden ausgewertet. Anhand einer zwischen dem eingekoppelten und dem reflektierten Ultraschall-Meßsignal auftretenden Frequenzverschiebung läßt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit des Mediums bzw. der Volumen und/oder Massenstrom bestimmen.In the Doppler principle, ultrasonic measurement signals are coupled into the flowing medium at a predetermined frequency. The reflected in the medium ultrasonic measurement signals are evaluated. On the basis of an occurring between the coupled and the reflected ultrasonic measurement signal frequency shift can also determine the flow rate of the medium or the volume and / or mass flow.

Der Einsatz von Durchflußmeßgeräten, die nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, ist nur möglich, wenn in dem Medium Luftbläschen oder Verunreinigungen vorhanden sind, an denen die Ultraschall-Meßsignale reflektiert werden. Damit ist der Einsatz derartiger Ultraschall-Durchflußmeßgeräte im Vergleich zu den Ultraschall-Durchflußmeßgeräten, die nach dem Laufzeit-Differenz-Prinzip arbeiten, ziemlich eingeschränkt.The use of flow meters, which operate on the Doppler principle, is only possible if in the medium air bubbles or impurities are present at which the ultrasonic measurement signals are reflected. Thus, the use of such ultrasonic flowmeters compared to the ultrasonic flowmeters, which operate on the transit time difference principle, rather limited.

Hinsichtlich der Typen von Meßgeräten wird unterschieden zwischen Ultraschall-Durchflußmeßaufnehmern, die in die Rohrleitung eingesetzt werden, und Clamp-On Durchflußmeßgeräten, bei denen die Ultraschallwandler von außen an die Rohrleitung mittels eines Spannverschlusses angepreßt werden. Clamp-On Durchflußmeßgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.With regard to the types of measuring instruments, a distinction is made between ultrasonic flow transducers, which are inserted into the pipeline, and clamp-on flow measuring devices, in which the ultrasonic transducers are pressed from the outside to the pipeline by means of a clamping closure. Clamp-on flowmeters are for example in the EP 0 686 255 B1 , of the U.S. Patent 4,484,478 or the U.S. Patent 4,598,593 described.

Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten werden die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung bzw. in das Meßrohr, in der/ in dem sich das strömende Medium befindet, eingestrahlt und/oder empfangen. Um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen, werden die Ultraschall-Meßsignale über einen Vorlaufkörper bzw. einen Koppelkeil in die Rohrleitung eingekoppelt bzw. aus der Rohrleitung ausgekoppelt. Hauptbestandteil eines Ultraschallwandlers ist zumindest ein piezoelektrisches Element, welches die Ultraschall-Meßsignale erzeugt und/oder empfängt.In both types of ultrasonic flowmeters, the ultrasonic measuring signals are radiated and / or received at a predetermined angle in the pipe or in the measuring tube, in / in which the flowing medium is located. In order to achieve optimum impedance matching, the ultrasonic measuring signals are coupled via a feed body or a coupling wedge in the pipeline or coupled out of the pipeline. The main component of an ultrasonic transducer is at least one piezoelectric element which generates and / or receives the ultrasonic measuring signals.

Die in einem piezoelektrischen Element erzeugten Ultraschall-Meßsignale werden über den Koppelkeil bzw. den Vorlaufkörper und – im Falle eine Clamp-On Durchlflußmeßgeräts – über die Rohrwand in das flüssige Medium geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in einer Flüssigkeit und in Kunststoff voneinander verschieden sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem Medium in das andere gebrochen. Der Brechungswinkel selbst bestimmt sich nach dem Snellius Gesetz, d.h der Brechungswinkel beim Übergang von einem Medium in ein anderes Medium ist abhängig von dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten cm, cn der beiden Medien n, m.The ultrasonic measuring signals generated in a piezoelectric element are passed via the coupling wedge or the flow body and - in the case of a clamp-on Durchlflußmeßgeräts - on the pipe wall in the liquid medium. Since the velocities of sound in a liquid and in plastic are different from each other, the ultrasonic waves are refracted in the transition from one medium to the other. The angle of refraction itself is determined according to Snell's law, ie the angle of refraction in the transition from one medium to another is dependent on the ratio of the velocities of sound c m , c n of the two media n, m.

Mathematisch läßt sich das Snellius‘sche Gesetz bevorzugt gemäß der nachfolgend genannten und gekürzten Formel darstellen: cn/sinαn = cm/sinαm = const. (1) Mathematically, the Snellius law can preferably be represented according to the following abbreviated formula: c n / sin α n = c m / sin α m = const. (1)

Hierbei repräsentiert:

cn:
die Schallgeschwindigkeit z.B. im Koppelkeil, beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist;
cm:
die Schallgeschwindigkeit z. B. im Medium, bei dem es sich beispielsweise um Wasser handelt;
αn:
den Winkel zwischen dem Schallpfad und dem senkrechten Lot auf die Grenzfläche des Koppelkeils beim Durchstoßpunkt des Ultraschall-Meßsignals durch die Grenzfläche;
αm:
den Winkel zwischen dem Schallpfad und dem senkrechten Lot auf die Grenzfläche des Mediums beim Durchstoßpunkt des Ultraschall-Meßsignals durch die Grenzfläche.
Here represents:
c n:
the speed of sound, for example, in the coupling wedge, for example made of plastic;
c m :
the speed of sound z. In the medium, which is, for example, water;
α n :
the angle between the sound path and the perpendicular perpendicular to the interface of the coupling wedge at the point of penetration of the ultrasonic measuring signal through the interface;
α m:
the angle between the sound path and the perpendicular Lot on the interface of the medium at the point of penetration of the ultrasonic measurement signal through the interface.

Mit zumeist keilförmig ausgebildeten Koppelelementen bzw. Vorlaufkörpern aus Kunststoff läßt sich i.a. eine gute Impedanzanpassung erzielen; allerdings zeigt die Schallgeschwindigkeit von Kunststoff eine relativ starke Temperaturabhängigkeit. Typischerweise verändert sich die Schallgeschwindigkeit von Kunststoff von ca. 2500 m/s bei 25°C auf ca. 2200 m/s bei 130°C. Zusätzlich zu der durch die Temperatur hervorgerufenen Änderung der Laufzeit der Ultraschall-Meßsignale im Kunststoff des Koppelkeils, ändert sich auch die Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Meßsignale in dem strömenden Medium. Beide Änderungen wirken sich bei einem nach der Laufzeitdifferenz-Methode arbeitenden Ultraschall-Durchflußmeßgerät natürlich ungünstig auf die Meßgenauigkeit aus. Hinzu kommt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit in gewissen Medien ebenfalls eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist.With mostly wedge-shaped coupling elements or plastic precursor bodies, a good impedance matching can generally be achieved; However, the speed of sound of plastic shows a relatively strong temperature dependence. Typically, that changes Sound velocity of plastic from about 2500 m / s at 25 ° C to about 2200 m / s at 130 ° C. In addition to the temperature-induced change in the transit time of the ultrasonic measurement signals in the plastic of the coupling wedge, the propagation direction of the ultrasonic measurement signals in the flowing medium also changes. Both changes have an unfavorable effect on the measurement accuracy in an ultrasonic flowmeter operating according to the transit time difference method. In addition, the propagation velocity in certain media also has a strong temperature dependence.

Um die Temperaturabhängigkeit der Koppelelemente zu verringern, ist es aus der WO 02/39069 A2 bekannt geworden, das Koppelelement aus mehreren kreisbogenförmigen Segmenten auszubauen. Bevorzugt sind die Segmente aus Metall gefertigt. Die einzelnen Segmente sind getrennt voneinander angeordnet und verlaufen von einer Kontaktebene, die dem piezoelektrischen Element zugewandt ist, bis zu einer Grundplatte, die mit der Rohrwand in Verbindung steht. Die Länge der einzelnen Segmente ist dabei so bemessen, daß die Ultraschall-Meßsignale an der Grundplatte unter einem vorgegebenen Winkel abgestrahlt bzw. empfangen werden. Diese Ausgestaltung ist jedoch relativ aufwendig.To reduce the temperature dependence of the coupling elements, it is from the WO 02/39069 A2 become known to expand the coupling element of a plurality of arcuate segments. Preferably, the segments are made of metal. The individual segments are arranged separately from each other and extend from a contact plane, which faces the piezoelectric element, to a base plate, which is in communication with the pipe wall. The length of the individual segments is dimensioned so that the ultrasonic measurement signals are radiated or received at the base plate at a predetermined angle. However, this embodiment is relatively expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Clamp-On Ultraschallmeßgerät vorzuschlagen, dessen Meßgenauigkeit relativ unempfindlich auf Temperaturänderungen des Mediums und/oder der Umgebung reagiert.The invention has for its object to provide a clamp-on ultrasonic measuring device, the accuracy of which is relatively insensitive to temperature changes of the medium and / or the environment responds.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by an arrangement having the features of claim 1.

Dieser Anordnung umfasst einen Ultraschallwandler und eine Wandung eines Rohres oder eines Behältnisses. Der Ultraschallwandler wird von außen an die einen durchgehenden Wandungsbereich aufgesetzt. Zur Vermeidung von Luft zwischen dem Ultraschallwandler und der Wandung kann zusätzlich in bekannter Weise ein Koppelfett genutzt werden.This arrangement comprises an ultrasonic transducer and a wall of a pipe or a container. The ultrasonic transducer is placed from the outside to a continuous wall area. To avoid air between the ultrasonic transducer and the wall, a coupling grease can additionally be used in a known manner.

Der Ultraschallwandler ist vorgesehen zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Meßsignalen. Üblicherweise ist hierfür zumindest Wandlerelement z.B. ein piezoelektrisches Wandlerelement, vorgesehen. Diese können einzel oder als sogenannter Stapel mit mehreren Wandlerelementen übereinander angeordnet sein. Sie wandeln eine Spannung in mechanische Bewegungen um und können umgekehrt aus mechanischen Bewegungen eine Spannung erzeugen. Die mechanischen Bewegungen werden in Form von Ultraschallwellen über ein Koppelelement und über die Wandung des Rohres oder des Behältnisses ins Medium abgegeben.The ultrasonic transducer is provided for transmitting and receiving ultrasonic measurement signals. Usually, for this purpose at least transducer element, e.g. a piezoelectric transducer element provided. These can be arranged one above the other as a single stack or as a so-called stack with several transducer elements. They convert a tension into mechanical movements and, conversely, can generate tension from mechanical movements. The mechanical movements are delivered in the form of ultrasonic waves via a coupling element and over the wall of the tube or container in the medium.

In der überwiegenden Zahl der Fälle ist der Ultraschallwandler bei Anordnung an einem Behältnis einem Füllstandsmessgerät zugeordnet. Da die Erfindung gerade bei heißen Medien besondere Vorteile aufweist, kann es sich bei der Füllstandsmessung um Anwendungsfälle aus dem Bereich der Heißsterilisation oder dergleichen handeln.In the vast majority of cases, the ultrasonic transducer is associated with a level measuring device when arranged on a container. Since the invention has particular advantages, especially with hot media, level measurement can be applications from the field of hot sterilization or the like.

In der überwiegenden Zahl der Fälle ist der Ultraschallwandler bei Anordnung an einem Rohr einem Durchflussmessgerät zugeordnet.In the vast majority of cases, the ultrasonic transducer is associated with a flow meter when placed on a pipe.

Der Ultraschallwandler weist ein Koppelelement auf, über das die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel- bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden. Entsprechende Koppelelemente sind bereits seit längerem bekannt.The ultrasound transducer has a coupling element, via which the ultrasound measuring signals are coupled into the container and / or tube at a predetermined coupling-in or outcoupling angle, or are coupled out of the container and / or the tube. Corresponding coupling elements have been known for some time.

Die Anordnung weist eine Regel-/Auswerteeinheit auf, die anhand von Meßsignalen bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder Behältnis strömenden Mediums oder alternativ oder zusätzlich dazu den Füllstand eines im Behältnisses befindlichen Mediums ermittelt. Üblicherweise sind der Ultraschallwandler und die Regel-/Auswerteeinheit als eine bauliche Einheit zu verstehen, welche z.B. in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät oder einem Füllstandsmessgerät integriert sind.The arrangement comprises a control / evaluation unit which, based on measurement signals or on the basis of measurement data derived from the measurement signals, the volume and / or mass flow of a flowing medium in the pipe or container or alternatively or additionally to the level of a determined in the container medium. Usually, the ultrasound transducer and the control / evaluation unit are to be understood as a structural unit, which may be e.g. are integrated in an ultrasonic flowmeter or a level gauge.

Das vorgenannte Koppelelement besteht erfindungsgemäß aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Glas. Die Gläser beruhen basieren bevorzugt auf Siliziumdioxid und/oder Silikaten. Sie können allerdings mit einem sehr hohen Grad an Schwermetallspezies angereichert sein. Diese Schwermetallspezies, z.B. Schwermetalloxide, können auch zu über 50 Gew.%, so z.B. 60–70 Gew.%, im siliziumbasierten Glas, enthalten sein. Das Glas ist ein anorganisches Glas und kein Kunststoffglas, wie z.B. Acrylglas.The aforementioned coupling element according to the invention consists of a block of a silicon-containing glass. The glasses are based based preferably on silica and / or silicates. However, they can be enriched with a very high level of heavy metal species. These heavy metal species, e.g. Heavy metal oxides may also contain more than 50% by weight, e.g. 60-70 wt.%, To be contained in the silicon-based glass. The glass is an inorganic glass and not plastic glass, e.g. Acrylic glass.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das siliziumhaltige Glas zumindest zu 10 Gew.% eine Siliziumspezies wie z.B. Siliziumdioxid oder ein Silikat, vorzugsweise umfasst es zumindest zu 20 Gew.% eine Siliziumspezies.In a preferred embodiment, the silicon-containing glass comprises at least 10% by weight of a silicon species such as e.g. Silica or a silicate, it preferably comprises at least 20% by weight of a silicon species.

Zusätzlich zu dem einen vorgenannten Koppelelement können auch weitere Koppelelemente vorgesehen sein, welche unter Form und ggf. auch Materialschluss zu einer Einheit zusammengefasst werden können. Dabei reicht es aus, wenn eines dieser Koppelelemente als Glas- oder Silikatblock ausgestaltet ist.In addition to the aforementioned coupling element, it is also possible to provide further coupling elements which can be combined to form a unit under the form and optionally also material connection. It is sufficient if one of these coupling elements is designed as a glass or silicate block.

Schwermetalle im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen alle Metalle mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm3. Heavy metals in the context of the present invention include all metals with a density of more than 5 g / cm 3 .

Aufgrund der Verwendung eines Blocks aus Glas oder Silikat ist die Aufnahme von Feuchtigkeit z.B. Luftfeuchte durch das Koppelelements bei höheren Temperaturen relativ gering.Due to the use of a block of glass or silicate, the absorption of moisture e.g. Humidity through the coupling element at higher temperatures relatively low.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Es ist von Vorteil, wenn der Block aus siliziumhaltigen Glas als Koppelkeil ausgestaltet ist. Dies gilt insbesondere bei Anwendung in einem Clamp-On Durchflussmessgerät da der der Winkel unter welchem das Ultraschall-Signal in die Rohrwandung und später auch ins Messmedium eintritt entsprechend genau definierbar ist und sich auch bei Temperaturänderungen nur gering ändert.It is advantageous if the block of silicon-containing glass is designed as a coupling wedge. This applies in particular when used in a clamp-on flowmeter as the angle at which the ultrasonic signal enters the pipe wall and later also into the measuring medium is correspondingly precisely defined and changes only slightly with temperature changes.

Der Koppelkeil kann vorteilhaft einen Winkel von 20–60° aufweisen, wobei ein Scheitel des Winkels die Auflagegläche des Koppelkeils auf das Behältnis und/oder das Rohr istThe coupling wedge may advantageously have an angle of 20-60 °, wherein a vertex of the angle is the Auflagegläche the coupling wedge on the container and / or the tube

Es ist von Vorteil, wenn der Block aus siliziumhaltigen Glas jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent aufweist. Dadurch wird die Dichte des Materials erhöht und auf die restlichen Elemente der Anordnung angepasst. Die Schwermetallspezies ist vorzugsweise ein Metalloxid.It is advantageous if the block of silicon-containing glass in each case has a content of a heavy metal species of more than 50 percent by weight. As a result, the density of the material is increased and adapted to the remaining elements of the arrangement. The heavy metal species is preferably a metal oxide.

Es ist von Vorteil, wenn der Block aus sliziumhaltigen Glas aus Schwerflintglas besteht. weist eine akustische Impedanz auf, welche höher ist als die von Kunststoff wodurch geringere Verluste von Signalanteilen durch Reflexion erzielbarIt is advantageous if the block of silicon containing glass consists of heavy flint glass. has an acoustic impedance which is higher than that of plastic, whereby lower losses of signal components can be achieved by reflection

Die Dichte des Blocks beträgt vorteilhaft zumindest 3,5 g/cm3, vorzugsweise 4,0 bis 8,5 g/cm3 bei 25°C.The density of the block is advantageously at least 3.5 g / cm 3 , preferably 4.0 to 8.5 g / cm 3 at 25 ° C.

Der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Blocks liegt vorzugsweise im Bereich von bis maximal 9,5·4·10–8K–1 (statische Messung), insbesondere bis maximal 5·4·10–8K–1.The thermal coefficient of linear expansion of the block is preferably in the range of up to a maximum of 9.5 · 4 · 10 -8 K -1 (static measurement), in particular up to a maximum of 5 · 4 · 10 -8 K -1 .

Der Ultraschallwandler ein schallerzeugendes Ultraschallwandlerelement aufweist, welches formschlüssig auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist. Der Formschluss kann beispielsweise durch ein Federelement erreicht werden, welches das Wandlerelement gegen das Koppelelement drückt.The ultrasonic transducer has a sound-generating ultrasonic transducer element which is fixed in a form-fitting manner on one side of the coupling element. The positive connection can be achieved for example by a spring element which presses the transducer element against the coupling element.

Das Ultraschallwandlerelement bzw. das Wandlerelement kann auch materialschlüssig mittels eines Haftvermittlers auf einer Seite des Koppelelements festgelegt sein. Durch die angepasste thermische Ausdehung kommt es nicht bei Temperaturerhöhung zu einem Lösen des Ultraschallwandlerelements.The ultrasonic transducer element or the transducer element can also be fixed in a material-locking manner by means of an adhesion promoter on one side of the coupling element. Due to the adapted thermal expansion, the temperature does not rise when the ultrasonic transducer element is released.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionierung einer Seite des auf einer Wandung eines Rohres und/oder eines Behältnisses mit einer Außentemperatur dieser Wandung von mehr als 130°C. Diese hohen Temperaturen sind üblicherweise problematisch für Koppelelemente.According to one use of the arrangement according to one of the preceding claims for positioning a side of the on a wall of a pipe and / or a container with an outside temperature of this wall of more than 130 ° C. These high temperatures are usually problematic for coupling elements.

Ein erfindungsgemäßes Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgerät weist zumindest zwei Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1–10 auf. Die Anordnungen können vorzugsweise in einer Ein- oder Zwei-Traversenanordnung ausgestaltet sein.An inventive clamp-on ultrasonic flowmeter has at least two arrangements according to one of claims 1-10. The arrangements may preferably be configured in a one or two truss arrangement.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings.

Es zeigt:It shows:

1: eine schematische Darstellung eines an sich bekannten Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgeräts in Zwei-Traversen-Anordnung; und 1 a schematic representation of a known clamp-on ultrasonic flowmeter in two-truss arrangement; and

2: eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Clamp-On Ultraschallwandlers auf einem Rohr. 2 : A schematic representation of an arrangement of a clamp-on ultrasonic transducer on a pipe.

In 1 ist schematisch ein Clamp-On Durchflußmeßgerät 1 in einer sogenannten Zwei-Traversen-Anordnung 10 dargestellt. Das bedeutet für die vorliegende Variante, dass das Signal nach Eintritt ins Medium zweimal den Rohrquerschnitt durchquert, bevor es durch empfangen wird. Es sind auch andere Anordnungen, so z.B. Eintraversenanordnungen, bekannt. Auch diese Anordnungen können im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternativ in gleicher Weise genutzt werdenIn 1 is schematically a clamp-on flowmeter 1 in a so-called two-truss arrangement 10 shown. For the present variant, this means that the signal traverses the tube cross-section twice before entering the medium, before it is received by. There are also other arrangements, such as Eintraversenanordnungen known. These arrangements can also be used in the same way in the context of the present invention

Das Durchflußmeßgerät 1 ermittelt den Volumendurchfluß und/oder den Massendurchfluß des Mediums 10 in dem Rohr 7 nach der bekannten Laufzeitdifferenz-Methode.The flowmeter 1 determines the volume flow and / or the mass flow of the medium 10 in the tube 7 according to the known transit time difference method.

Wesentliche Komponenten des Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgeräts 1 sind die beiden Ultraschallwandler 3, 4 und die Regel-/Auswerteeinheit 9. Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind mittels einer in der 1 nicht gesondert dargestellten Befestigungsvorrichtung an dem Rohr 7 angebracht. Entsprechende Befestigungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden auch von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Das Rohr 7 mit einem vorgegebenen Innendurchmesser di wird von dem Medium 2 in Strömungsrichtung S durchströmt.Essential components of the clamp-on ultrasonic flowmeter 1 are the two ultrasonic transducers 3 . 4 and the control / evaluation unit 9 , The two ultrasonic transducers 3 . 4 are by means of a in the 1 not shown separately fastening device to the pipe 7 appropriate. Corresponding fastening devices are well known from the prior art and are also offered and distributed by the applicant. The pipe 7 with a given inner diameter di is from the medium 2 flows through in the flow direction S.

Ein Ultraschallwandler 3; 4 umfaßt als wesentliche Bestandteile zumindest ein piezoelektrisches Element 5; 6, das die Ultraschall-Meßsignale erzeugt und/oder empfängt, und einen Koppelkeil bzw. einen Vorlaufkörper 11; 12. Die Ultraschall-Meßsignale werden über die Koppelkeile 11, 12 in das vom Medium 10 durchströmte Rohr 7 eingekoppelt bzw. aus dem Rohr 7 ausgekoppelt. Die Koppelkeile 11; 12 legen die Einstrahl- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Meßsignale aus dem Rohr bzw. aus dem Medium fest; darüber dienen sie zur Optimierung der Impedanzanpassung der Ultraschall-Meßsignale beim Übergang in das Rohr 7 bzw. aus dem Rohr 7. An ultrasonic transducer 3 ; 4 comprises as essential components at least one piezoelectric element 5 ; 6 , which generates and / or receives the ultrasonic measuring signals, and a coupling wedge or a leading body 11 ; 12 , The ultrasonic measuring signals are transmitted via the coupling wedges 11 . 12 into the medium 10 flowed through pipe 7 coupled in or out of the pipe 7 decoupled. The coupling wedges 11 ; 12 determine the direction of irradiation or emission of the ultrasonic measuring signals from the tube or from the medium; above that they serve to optimize the impedance matching of the ultrasonic measuring signals during the transition into the tube 7 or from the pipe 7 ,

Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind in einem Abstand L voneinander positioniert, wobei der Abstand L so gewählt ist, daß ein möglichst hoher Energieanteile der von einem Ultraschallwandler 3; 4 ausgesendeten Ultraschall-Meßsignale in dem jeweils anderen Ultraschallwandler 4; 3 empfangen wird. Die optimale Positionierung ist abhängig von einer Vielzahl unterschiedlicher System- und/oder Prozeßgrößen. Bei diesen System- und Prozeßgrößen handelt es sich beispielsweise um den Innendurchmesser di des Rohres 7, um die Dicke der Rohrwand 8, um die Schallgeschwindigkeit c3 des Materials, aus dem das Rohr 7 gefertigt ist, oder um die Schallgeschwindigkeit c4 des Mediums 10. Hinzu kommt, daß die Schallgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Materialien wie Koppelkeil, Rohrwand und Medium eine mehr oder minder starke Temperaturabhängigkeit aufweisen.The two ultrasonic transducers 3 . 4 are positioned at a distance L from each other, wherein the distance L is chosen so that the highest possible energy shares that of an ultrasonic transducer 3 ; 4 emitted ultrasonic measuring signals in the respective other ultrasonic transducer 4 ; 3 Will be received. The optimal positioning depends on a large number of different system and / or process variables. These system and process variables are, for example, the inner diameter di of the tube 7 to the thickness of the pipe wall 8th to the speed of sound c 3 of the material from which the tube 7 is made, or the speed of sound c 4 of the medium 10 , In addition, the speed of sound in the different materials such as coupling wedge, pipe wall and medium have a more or less strong temperature dependence.

Im gezeigten Fall ist der Abstand L der beiden Ultraschallwandler 3, 4 so bemessen, daß sich die Ultraschall-Meßsignale, die entsprechend der Laufzeitdifferenz-Methode abwechselnd von den beiden Ultraschallwandlern 3, 4 ausgesendet und empfangen werden, über den Schallpfad SP in dem vom Medium 10 durchströmten Rohr 7 ausbreiten. Der Schallpfad SP weist zwei Traversen, also zwei Querungen des Rohres 7 auf. Die Traversen können diametral oder kordial verlaufen.In the case shown, the distance L of the two ultrasonic transducers 3 . 4 so dimensioned that the ultrasonic measuring signals, which correspond to the transit time difference method alternately from the two ultrasonic transducers 3 . 4 be sent and received via the sound path SP in the medium 10 flowed through pipe 7 spread. The sound path SP has two traverses, so two crossings of the tube 7 on. The trusses can run diametrically or cordially.

2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 21 im Schnitt. Der Ultraschallwandler besteht erfindungsgemäß aus zumindest zwei Teilelementen, einem schallerzeugenden Wandlerelement 20, z.B. ein piezoelektrisches Wandlerelement, und einem Koppelkeil 22, auch Vorlaufkörper genannt. der sukzessive von den Ultraschall-Meßsignalen, die von dem Wandlerelement 22 gesendet und/oder empfangen werden, durchlaufen werden. 2 schematically shows an embodiment of the ultrasonic transducer according to the invention 21 on average. The ultrasonic transducer according to the invention consists of at least two sub-elements, a sound-generating transducer element 20 , For example, a piezoelectric transducer element, and a coupling wedge 22 , also called flow body. successively from the ultrasonic measurement signals received from the transducer element 22 be sent and / or received.

Der Einkoppel-/Auskoppelwinkel ist im wesentlichen durch die Geometrie des Kopelkeils 22 bestimmt, d.h. die Geometrie des Koppelkeils 22 ist so gewählt, daß möglichst viel Energie die Grenzfläche zwischen dem Koppelkeil 22 und einem von einem Medium 24 durchströmten Rohr 23 passiert. Die Einkopplung bzw. Auskopplung eines hohen Energieanteils des Ultraschall-Meßsignals ist für eine gute Meßgenauigkeit von ausschlaggebender Wichtigkeit. Um die verläßlichen Meßergebnisse über einen beliebig langen Zeitraum zu erzielen, ist es außerdem wichtig, daß ein festgelegter optimierter Einkoppel-/Auskoppelwinkel nachfolgend auch konstant bleibt. Wie gesagt, führt jede Abweichung von dem vorgegebenen Wert zu einer Verschlechterung der Meßgenauigkeit. Problematisch ist eine permanente Konstanthaltung des Einstrahl-/Ausfallwinkels insbesondere deshalb, weil sich die Schallgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Materialien mehr oder weniger ausgeprägt in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.The coupling / Auskoppelwinkel is essentially by the geometry of the Kopelkeils 22 determined, ie the geometry of the coupling wedge 22 is chosen so that as much energy as possible is the interface between the coupling wedge 22 and one of a medium 24 flowed through pipe 23 happens. The coupling or decoupling of a high energy component of the ultrasonic measurement signal is of crucial importance for a good measurement accuracy. In order to achieve the reliable measurement results over any period of time, it is also important that a specified optimized coupling / decoupling angle subsequently also remains constant. As mentioned, any deviation from the given value leads to a deterioration of the measurement accuracy. The problem is a permanent constancy of the Einstrahl- / failure angle in particular because the sound velocities in the different materials change more or less pronounced depending on the temperature.

Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich nach dem Snell‘schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien. Üblicherweise werden als Koppelkeil Kunststoffmaterialien, z.B. Polyetheretherketone oder Polyimide eingesetzt. Diese neigen allerdings zur Aufnahme von Wasser, wodurch sich die Materialeigenschaften, respektive die Schallgeschwindigkeit eines Ultraschallsignals im Material, ändert.Since the speeds of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another. The angle of refraction is determined by Snell's law. The angle of refraction is thus dependent on the ratio of the propagation velocities in the two media. Usually, as a coupling wedge, plastic materials, e.g. Polyetheretherketone or polyimides used. However, these tend to absorb water, which changes the material properties, or the speed of sound of an ultrasonic signal in the material changes.

Wie sich gezeigt hat, sind Silikate oder auch Gläser aus anderen siliziumhaltigen anorganischen Materialien weniger problematisch bezüglich der Wasseraufnahme als Kunststoffmaterialien. Daher eignen Sie sich besser als Material für einen Koppelkeil.As has been shown, silicates or even glasses of other silicon-containing inorganic materials are less problematic in terms of water absorption than plastic materials. Therefore, they are better suited as material for a coupling wedge.

Aufgrund ihrer hohen Dichte eignen sich Silikate und Gläser aus anorganischen siliziumhaltigen Materialien jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent besonders gut als Material für einen Koppelkeil. Sie weisen eine thermische Ausdehnung aus, welche wesentlich näher der thermischen Ausdehnung eines piezoelektrischen Wandlerelements entspricht als bei den bisher bekannten Kunststoffkoppelkeilen. Dadurch kann ein Wandlerelement auf den Koppelkeil geklebt werden, ohne dass sich dieses aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen vom Koppelkeil löst. Ein bevorzugter mittlerer thermischer Längenausdehnungskoeffizient (20°C, 300°C) liegt im Bereich von 4,0 4·10–8K–1 bis 9,5 4·10–8K–1 (statische Messung).Due to their high density, silicates and glasses of inorganic siliceous materials, each with a heavy metal species content of more than 50 weight percent, are particularly well suited as a coupling wedge material. They have a thermal expansion, which corresponds much closer to the thermal expansion of a piezoelectric transducer element than in the previously known plastic coupling wedges. As a result, a transducer element can be glued to the coupling wedge, without this solves the coupling wedge due to different thermal expansions. A preferred average thermal expansion coefficient (20 ° C, 300 ° C) is in the range of 4.0 4 · 10 -8 K -1 to 9.5 4 · 10 -8 K -1 (static measurement).

Die thermische Stabilität ist bei Silikaten oder Gläsern aus siliziumhaltigen anorganischen Materialien ebenfalls höher als bei Kunststoffmaterialien.The thermal stability is also higher with silicates or glasses of silicon-containing inorganic materials than with plastic materials.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Material des Koppelkeils um ein sogenanntes Schwerflintglas. Diese weisen zumeist als Schwermetallspezies Bleioxid mit mehr als 60 Gew.%, vorzugsweise mehr als 65 Gew.%, auf. Particularly preferably, the material of the coupling wedge is a so-called heavy flint glass. These have mostly as heavy metal species lead oxide with more than 60 wt.%, Preferably more than 65 wt.%, On.

Gerade Schwerflintglas weist eine akustische Impedanz auf, welche höher ist als die von Kunststoff wodurch geringere Verluste von Signalanteilen durch Reflexion erzielbar sind.Straight heavy flint glass has an acoustic impedance which is higher than that of plastic, whereby lower losses of signal components can be achieved by reflection.

Die Schallgeschwindigkeiten innerhalb eines Glases mit hohen Schwermetallanteilen und besonders bevorzugt von Schwerflintglas sind aufgrund der hohen Dichte relativ gering. Daraus ergibt sich ein sehr günstiger Winkel für den Aufbau des Koppelkeils. Dies kann beispielsweise ein 45° sein, also ein ähnlicher Winkel wie bei den bisher genutzten Kunststoff-KoppelkeilenThe sound velocities within a glass with high heavy metal contents and particularly preferably of heavy flint glass are relatively low due to the high density. This results in a very favorable angle for the construction of the coupling wedge. This can for example be a 45 °, so a similar angle as in the previously used plastic coupling wedges

Ein beispielhaftes Schwerflintglas, welches sich gerade für den Einsatz bei Temperaturen von über 130°C als besonders gut erwiesen hat ist ein Glas der Schott AG, welches zum Zeitpunkt der Erstanmeldung vorliegenden Erfindung die Bezeichnung RD 50 trägt.An exemplary heavy flint glass, which has proven to be especially good for use at temperatures above 130 ° C is a glass Schott AG, which at the time of the first application present invention the name RD 50 wearing.

Die Dichte des RD 50 beträgt 5,05 g/cm3. Es haben sich allerdings auch Silikate oder anorganische Gläser jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent als vorteilhaft als Ultraschallkoppelkeil erwiesen, welche eine Dichte von mehr als 3,5 g/cm3 aufweisen. Besonders gleichbleibend gute schallleitende Eigenschaften auch bei Temperaturen von über 100°C weisen siliziumhaltige Gläser jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent auf, welche eine Dichte zwischen 4–6 g/cm3 aufweisen. Die vorgenannten Dichten können beispielsweise mittels eines Pyknometers bei 25°C in Wasser bestimmt werden.The density of the RD 50 is 5.05 g / cm 3 . However, silicates or inorganic glasses each having a proportion of a heavy metal species of more than 50 percent by weight have proven to be advantageous as ultrasonic coupling wedge, which have a density of more than 3.5 g / cm 3 . Particularly good sound-conducting properties even at temperatures above 100 ° C., silicon-containing glasses each having a proportion of a heavy metal species of more than 50 weight percent, which have a density between 4-6 g / cm 3 . The aforementioned densities can be determined for example by means of a pycnometer at 25 ° C in water.

Zusätzlich oder alternativ zu Bleispezies können auch andere Metallspezies dem Glas zugesetzt werden. Dies sind vorzugsweise Metalloxide, wie z.B. Wolframoxid.In addition to or as an alternative to lead species, other metal species may also be added to the glass. These are preferably metal oxides, e.g. Tungsten oxide.

Typische Schallgeschwindigkeiten innerhalb der vorgenannten keilförmigen anorg. Glaskörper jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent betragen vorzugsweise 2500–3500 m/s bei 25°C.Typical sound velocities within the aforementioned wedge-shaped anorg. Glass bodies each having a heavy metal species content of more than 50% by weight are preferably 2500-3500 m / s at 25 ° C.

Der vorbeschriebene Koppelkeil wird vorzugsweise in einer Messanordung zur Ultraschall-Durchflussmessung eingesetzt. Das bevorzugtangewandteThe above-described coupling wedge is preferably used in a Messanordung for ultrasonic flow measurement. The preferred applied

Durchflussmessungsverfahren ist dabei das sogenannte Laufzeitdifferenzbetrieb-Messverfahren.Flow measurement method is the so-called transit time difference measurement method.

Es ist jedoch auch möglich den Füllstand z.B. von heißen Medien in einem Rohr oder einem Behältnis mittels der vorgenannten Ultraschall-Anordnung zu bestimmen. In diesem Fall braucht das Koppelelement bzw. der Vorlaufkörper nicht als Koppelkeil also keilformig ausgebildet zu sein sondern kann als Block z.B als Zylinder, als Rechteck, als Quader, als Prisma oder in einer anderen Form ausgestaltet sein. Gleiches gilt für die Durchflussmessung nach dem Dopplerverfahren hier kann der Einstahlwinkel 90° sein, das Signal kann allerdings auch unter einem anderen Winkel ins Medium eingeleitet werden.However, it is also possible to fill the level e.g. to determine hot media in a pipe or a container by means of the aforementioned ultrasonic arrangement. In this case, the coupling element or the lead body does not need to be wedge-shaped as a coupling wedge but may be designed as a block, for example as a cylinder, as a rectangle, as a cuboid, as a prism or in another form. The same applies to the flow measurement according to the Doppler method here, the Einstahlwinkel can be 90 °, but the signal can also be introduced at a different angle in the medium.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgerät Clamp-on ultrasonic flowmeter
22
Medium medium
33
Ultraschallwandler ultrasound transducer
44
Ultraschallwandler ultrasound transducer
55
Piezoelektrisches Element Piezoelectric element
66
Piezoelektrisches Element Piezoelectric element
77
Rohr / Behältnis Pipe / container
88th
Rohrwand pipe wall
99
Regel-/Auswerteeinheit Control / evaluation unit
1010
Zwei-Traversenanordnung Two-Travers arrangement
1111
Koppelelement / Vorlaufkörper Coupling element / flow body
1212
Koppelelement / Vorlaufkörper Coupling element / flow body
2020
Wandlerelement transducer element
2121
Ultraschallwandler ultrasound transducer
2222
Koppelkeil coupling wedge
2323
Rohr pipe
2424
Medium medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0686255 B1 [0006] EP 0686255 B1 [0006]
  • US 4484478 [0006] US 4484478 [0006]
  • US 4598593 [0006] US 4598593 [0006]
  • WO 02/39069 A2 [0012] WO 02/39069 A2 [0012]

Claims (12)

Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler, welcher vorgesehen ist zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Meßsignalen, und eine Wandung eines Behältnisses und/oder eines Rohres, wobei i der Ultraschallwandler ein Koppelelement aufweist, über das die Ultraschall-Meßsignale unter einem vorgegebenen Einkoppel-bzw. Auskoppelwinkel in das Behältnis und/oder Rohr eingekoppelt bzw. aus dem Behältnis und/oder dem Rohr ausgekoppelt werden, und ii die Anordnung eine Regel-/Auswerteeinheit aufweist, die anhand der Meßsignale bzw. anhand von Meßdaten, die aus den Meßsignalen abgeleitet sind, den Volumen- und/oder den Massenstrom eines in dem Rohr oder Behältnis strömenden Mediums ermittelt und/oder den Füllstand des Mediums in dem Behältnis ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (11, 12) aus einem Block aus einem siliziumhaltigen Glas besteht.Arrangement comprising an ultrasonic transducer, which is provided for emitting and receiving ultrasonic measuring signals, and a wall of a container and / or a tube, wherein i the ultrasonic transducer has a coupling element, via which the ultrasonic measuring signals under a predetermined coupling or. Decoupling angle coupled into the container and / or pipe or be coupled out of the container and / or the tube, and ii the arrangement comprises a control / evaluation unit, which are based on the measurement signals or based on measurement data derived from the measurement signals determines the volume and / or mass flow of a flowing medium in the pipe or container and / or determines the level of the medium in the container, characterized in that the coupling element ( 11 . 12 ) consists of a block of silicon-containing glass. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Block aus siliziumhaltigen Glas als Koppelkeil ausgestaltet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the block of silicon-containing glass is designed as a coupling wedge. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Block aus siliziumhaltigen Glas jeweils mit einem Anteil an einer Schwermetallspezies von mehr als 50 Gewichtsprozent aufweist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the block of silicon-containing glass each having a proportion of a heavy metal species of more than 50 weight percent. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das siliziumhaltige Glas als Schwerflintglas ausgebildet ist. Arrangement according to claim 3, characterized in that the silicon-containing glass is designed as Schwerflintglas. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Blocks zumindest 3,5 g/cm3, vorzugsweise 4,0 bis 8,5 g/cm3 bei 25°C beträgt.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the block is at least 3.5 g / cm 3 , preferably 4.0 to 8.5 g / cm 3 at 25 ° C. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetallspezies ein Metalloxid ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the heavy metal species is a metal oxide. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Blocks im Bereich von bis maximal 9,5 4·10–8K–1 (statische Messung), vorzugsweise kleiner 5·10–8K–1 liegt.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal coefficient of linear expansion of the block is in the range of up to a maximum of 9.5 4 · 10 -8 K -1 (static measurement), preferably less than 5 · 10 -8 K -1 . Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler ein schallerzeugendes Ultraschallwandlerelement aufweist, welches Formschlüssig auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic transducer has a sound-generating ultrasonic transducer element which is fixed in a form-fitting manner on one side of the coupling element. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwandlerelement auch materialschlüssig mittels eines Haftvermittlers auf einer Seite des Koppelelements festgelegt ist.Arrangement according to claim 8, characterized in that the ultrasonic transducer element is also fixed material fit by means of a bonding agent on one side of the coupling element. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelkeil einen Winkel von 20–60° aufweist, wobei ein Scheitel des Winkels die Auflagegläche des Koppelkeils auf das Behältnis und/oder das Rohr ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the coupling wedge an angle of 20-60 °, wherein a vertex of the angle is the Auflagegläche of the coupling wedge on the container and / or the tube. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionierung einer Seite des auf einer Wandung eines Rohres und/oder eines Behältnisses mit einer Außentemperatur dieser Wandung von mehr als 130°C. Use of the arrangement according to one of the preceding claims for positioning a side of the on a wall of a pipe and / or a container with an outside temperature of this wall of more than 130 ° C. Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgerät mit zumindest zwei Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1–10.Clamp-on ultrasonic flowmeter with at least two arrangements according to one of claims 1-10.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017111624A1 (en) 2017-05-29 2018-11-29 Endress + Hauser Flowtec Ag ultrasound transducer
DE102018109807A1 (en) 2018-04-24 2019-10-24 Endress+Hauser Flowtec Ag Ultrasonic transducer and flowmeter

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1150213B (en) * 1958-06-10 1963-06-12 Nat Res Dev Ultrasonic flow meter for measuring the speed of a medium flowing in a pipe
US4048853A (en) * 1974-12-11 1977-09-20 Detectronic Limited Method and apparatus for monitoring the flow of liquid and the like
GB1555549A (en) * 1976-07-16 1979-11-14 Vni I Konstrukt I Method of and device for detecting a fluid liquid interface in a container
US4484478A (en) 1981-10-19 1984-11-27 Haerkoenen Eino Procedure and means for measuring the flow velocity of a suspension flow, utilizing ultrasonics
US4598593A (en) 1984-05-14 1986-07-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cross-correlation flowmeter for solid-gas flow
EP0686255B1 (en) 1993-12-23 2000-03-15 Endress + Hauser Flowtec AG Clamp-on ultrasonic volume flow rate measuring device
US6065350A (en) * 1998-07-10 2000-05-23 Panametrics, Inc. Flow measurement system with guided signal launched in lowest mode
WO2002039069A2 (en) 2000-11-11 2002-05-16 Endress + Hauser Flowtec Ag Coupling element for an ultrasonic flowmeter
US20070151361A1 (en) * 2003-12-24 2007-07-05 Asahi Organic Chemicals Industry Co., Ltd. Ultrasonic flowmeter

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1150213B (en) * 1958-06-10 1963-06-12 Nat Res Dev Ultrasonic flow meter for measuring the speed of a medium flowing in a pipe
US4048853A (en) * 1974-12-11 1977-09-20 Detectronic Limited Method and apparatus for monitoring the flow of liquid and the like
GB1555549A (en) * 1976-07-16 1979-11-14 Vni I Konstrukt I Method of and device for detecting a fluid liquid interface in a container
US4484478A (en) 1981-10-19 1984-11-27 Haerkoenen Eino Procedure and means for measuring the flow velocity of a suspension flow, utilizing ultrasonics
US4598593A (en) 1984-05-14 1986-07-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cross-correlation flowmeter for solid-gas flow
EP0686255B1 (en) 1993-12-23 2000-03-15 Endress + Hauser Flowtec AG Clamp-on ultrasonic volume flow rate measuring device
US6065350A (en) * 1998-07-10 2000-05-23 Panametrics, Inc. Flow measurement system with guided signal launched in lowest mode
WO2002039069A2 (en) 2000-11-11 2002-05-16 Endress + Hauser Flowtec Ag Coupling element for an ultrasonic flowmeter
US20070151361A1 (en) * 2003-12-24 2007-07-05 Asahi Organic Chemicals Industry Co., Ltd. Ultrasonic flowmeter

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017111624A1 (en) 2017-05-29 2018-11-29 Endress + Hauser Flowtec Ag ultrasound transducer
US11426764B2 (en) 2017-05-29 2022-08-30 Endress+Hauser Flowtec Ag Ultrasound transducer
DE102018109807A1 (en) 2018-04-24 2019-10-24 Endress+Hauser Flowtec Ag Ultrasonic transducer and flowmeter
WO2019206507A1 (en) 2018-04-24 2019-10-31 Endress+Hauser Flowtec Ag Ultrasonic transducer and flowmeter
DE102018109807B4 (en) 2018-04-24 2022-10-27 Endress+Hauser Flowtec Ag Ultrasonic transducer and flow meter

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