CN100383495C - 用于在容器上定位夹合式流量计的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在介质(9)所流经的容器(7)上定位夹合式流量计(1)的设备，包括：至少两个超声变换器(2；3)，其将测量信号发射入容器(7)并且/或者接收来自容器(7)的测量信号；定位单元(11)，用于超声变换器(2，3)在容器(7)上的可变定位；控制/分析单元(8)，其从预定的过程和/或系统量确定测量信号的特征额定量(Tsoll)，并且基于计算的额定量(Tsoll)与相应的测量实际量(Tist)的比较，确定超声变换器(2，3)是否被最优定位或超声变换器(2，3)的位置是否需要改变；以及指示单元(12)，其向操作人员指示需要的位置变化和/或需要作出的位置变化的方向。

Description

用于在容器上定位夹合式流量计的设备

本发明涉及一种用于在介质所流经的容器上定位夹合式流量计的设备。

在过程和自动化技术中经常使用夹合式超声流量计。它们允许无接触地确定容器，特别是管道中的介质的体积流量和/或质量流量。另外，它们具有可以放置在管道外部的优点。例如在EP 0 686 255 B1，US-PS 4,484,478或US-PS 4,598,593中描述了夹合式超声流量计。

已知的超声流量计或者基于多普勒原理或者基于行程时间差原理工作。在行程时间差原理的情况中，使用在介质的流动方向以及相反方向上超声测量信号的不同行程时间。为此，超声测量信号被在介质的流动方向以及相反方向上交替地发射或接收。基于超声测量信号的行程时间差，可以确定流速，并且根据确定的流速以及已知的管道直径，可以确定介质的体积流量，或者根据已知的密度，可以确定介质的质量流量。

在多普勒原理的情况中，预定频率的超声测量信号被耦合入流动介质。在介质中反射的超声测量信号被分析。基于在耦合入介质的超声测量信号以及反射的超声测量信号之间发生的频率偏移，可以类似地确定介质的流速或体积和/或质量流量。只有当在介质中存在超声测量信号在其上反射的气泡或杂质时，才能够使用根据多普勒原理工作的流量计。于是，与使用行程时间差原理的超声流量计相比，使用多普勒原理的超声流量计的应用相当有限。

在根据行程时间差原理工作的夹合式超声流量计的情况中，超声测量信号被以预定角度辐射进入介质所处的容器。为了从超声变换器辐射进入容器的能量的尽可能大部分地接收入另一超声变换器，两个超声变换器必须相隔一定距离。超声变换器在容器上的特定位置依赖于管道的内径以及介质中的声速。至于相对较大的误差可能相关的其它应用参数，有管道的壁厚以及管道材料中的声速。

依赖于应用，在夹合式流量计中可能产生另一误差源，该误差源自介质或环境的温度变化。可用于夹合式流量计的超声变换器包括至少一个压电元件(产生超声测量信号)和一个耦合楔。耦合楔通常由塑料制成，并且用于以规定角度将超声测量信号辐射入管道以及用于阻抗匹配。在压电元件中产生的超声测量信号被经由耦合楔或先导体以及管壁，引导入液体介质。由于在液体和塑料中的声速不同，超声波在从一个介质进入另一介质时被折射。折射角由Snell定律确定，即，反射角依赖于两种介质的传播速度之比。通常，对于塑料的楔或先导体，可以得到好的阻抗匹配；然而，塑料中的声速具有较强的温度依赖性。典型地，塑料中的声速从25℃的约2500m/s改变到130℃的约2200m/s。除了由于耦合楔的塑料中的温度引起的超声测量信号的行程时间改变，超声测量信号的传播方向也在流动介质中改变。这两种改变都不利地影响在根据行程时间差方法工作的超声流量计中的测量精度。为了将测量精度保持在恒定的较高水平，需要超声变换器的位置校正。

超声变换器的角位置在已知的流量计中被固定地确定。为了初始安装或者在以后的应用中改变的情况，由于以上考虑，有必要能够以规定的方式调节两个超声变换器彼此的相对距离。为此，通常两个超声变换器中的一个相对于另一个移位，直至找到从超声变换器接收的测量信号的强度最大的位置。一旦已经以这种“测试/误差”技术确定了两个超声变换器的最佳距离，可以在确定的位置将两个超声变换器紧紧锁在管壁上。可以理解，这种方法相对较为耗时。为了简化超声变换器的相对运动，使用机械定位辅助，诸如毫米标尺或有孔轨道。例如在EP 0 974 815 A1中说明了以有孔轨道工作的定位辅助。

除此之外的事实是，特别是在夹合式流量计的情况中为了精确确定体积流量所需要的一些应用参数仅仅在很少有的情况中是足够精确地已知的，或者，这些参数的确定非常复杂。尽管管道外径的确定几乎没有任何问题，但是管道壁厚的精确确定可能存在相当问题。另外，在许多情况中，管道材料中的声速以及介质中的声速都不能精确地已知。

本发明的目的是提供一种设备，利用它可以简化夹合式流量计在容器上的定位。

以下面的方式实现该目的。提供两个超声变换器，它们将测量信号发射进入容器并且/或者接收来自容器的测量信号。另外还提供了用于超声变换器在容器上的可变定位的定位单元，以及控制/分析单元，利用控制/分析单元从预定的过程和/或系统量计算测量信号的特征额定量，并且基于计算的额定量与相应的测量实际量之间的比较，确定超声变换器是否被最优定位或者超声变换器的位置是否应当改变。其中，超声变换器可以根据计算的额定量与相应的测量实际量的偏差而自动移动到正确位置。

根据本发明，基于在超声变换器中接收的信号，识别超声变换器的错误定位以及采取消除这个错误定位的对策。基于接收的测量信号，确定至少一个在应用条件下出现的测量信号的特征实际量。

特征量优选地是测量信号的强度和/或测量信号的行程时间。将这个测量值与相应的特征额定量比较。如果特征量是行程时间，则计算相应的额定量，在计算中使用Snell折射定律。通常，对应等式中不是所有变量都精确已知。于是，在许多情况中，介质中的精确声速是未知的。在这种情况中，例如，最有可能的值用于介质中的声速。或者，可以基于测量结果确定介质中的声速，其中超声波的行程时间与被测介质的流动方向垂直。这种方法已经在实际中使用，因而这里不需要详细说明。

在本发明的设备的优选实施例中，这样实现指示单元，使得它以视觉上或听觉上的信号向操作人员指示正确位置，或者使得指示单元如果需要的话向操作人员连续指示至少一个超声变换器为了正确定位要在哪一方向上移动。本发明的设备的一个具有优点的实施例中，指示单元是夹合式流量计的一部分。特别地，指示单元是显示器。

提供给用户的信息可以是例如位移方向；并且/或者，两个超声变换器的位移量以数字或图形符号的形式在指示单元上提供。

原理上，指示单元可以是至少一个光学和/或至少一个声学报告元件，在各个场合中使用的该元件可以以不同模式操作。

特别地，光学报告元件可以是发光二极管，在这种情况中，模式为闪亮模式、打开模式和/或关闭模式。

作为替代或者补充，这样实现光学报告元件，使得不同的颜色特征和/或符号与不同的模式相关。

如果使用声学报告元件，则优选地使得不同的模式由不同的音调和/或至少一个音调的不同重复频率实现。

现在根据附图详细解释本发明，附图中：

图1是超声测量信号在管道中的声音路径的示意图；

图2是本发明的设备的第一实施例的示意图；

图3是本发明的设备的第二实施例的示意图；和

图4是本发明的设备的第三实施例的示意图。

图1显示了超声测量信号在管道，例如管道7中的声音路径SP的示意图。夹合式流量计1使用已知的行程时间差方法确定管道7中介质9的体积或质量流量。

夹合式超声流量计1的基本部件是两个超声变换器或超声传感器2，3和控制/分析单元8。两个超声变换器2，3利用图1中未单独示出的紧固设备附着至管道7。合适的紧固设备可以从现有技术中了解并且可以从受让人处得到。介质9以流动方向S流经内径为di的管道7。

超声变换器2；3具有至少一个压电元件4；5以及耦合楔6；16作为基本部件，该压电元件产生和/或接收超声测量信号。超声测量信号被经由耦合楔6；16以及经由管壁10耦合入容纳流动介质9的管道7或耦合出管道7。

两个超声变换器2，3实现为发射并且接收超声测量信号。正如上面已经说明的，两个超声变换器2，3的最优距离c依赖于不同的系统和/或过程量。

为了保证从超声变换器2；3发射的最大能量在另一超声变换器3；2中被接收，需要与特定应用实例相匹配的超声变换器2，3的定位。系统和过程量包括例如：管道7的内径di、管道7的壁厚dr、制造管道7的材料中的声速cr、或者介质9中的声速cm。原理上，在将变换器初始安装在管道上的情况中以及任何时候当发生至少一个过程和/或系统量的显著改变时，都需要调整超声变换器2，3。

在所示的实施例中，两个超声变换器2，3的距离c的大小使得根据行程时间差方法由超声变换器2，3交替发射和接收的超声测量信号仅经由容纳流动介质9的容器7中的一条声音路径SP传播。声音路径SP具有两个横贯(Traverse)。一个横贯是声音路径SP中超声测量信号与容器7交叉一次的部分。交叉可以是直径的或弦的。

如果以下的量至少大约地已知，那么可以计算额定量，该额定量根据本发明由位置和状态指示单元预先指定。特别地，这些量是：

-超声变换器2；3和管壁10之间的距离ds；

-管壁10的厚度dr；

-管道7的内径di；

-先导体6；7中的声速cs；

-管道7中的声速cr；

-介质9中的声速cm；

-超声变换器2；3中的角度αs；

-管道7中的角度αr；

-介质中的角度αm；

-横贯数目n。在所示的情况中，n＝2。

管道7中的入射角αr可以借助于Snell定律由以下公式表达：

$\mathrm{\αr}=a\sin (\frac{\mathrm{cr}}{\mathrm{cs}}\·\sin \left(\mathrm{\αs}\right))$

进入介质9的入射角αm可以由以下公式表达：

$\mathrm{\αm}=a\sin (\frac{\mathrm{cm}}{\mathrm{cs}}\·\sin \left(\mathrm{\αs}\right))$

于是可以基于以下公式计算超声测量信号在声音路径SP上的行程时间Tsoll：

$\mathrm{Tsoll}=\frac{2\·\mathrm{ds}}{\cos \left(\mathrm{\αs}\right)\·\mathrm{cs}}+\frac{2\·\mathrm{dr}}{\cos \left(\mathrm{\αr}\right)\·\mathrm{cr}}+\frac{n\·\mathrm{di}}{\cos \left(\mathrm{\αm}\right)\·\mathrm{cm}}$

如果所有的参数都已知，那么使用以上公式计算超声测量信号的行程时间Tsoll。这里，还假设管道7中的流量为零。现在，在大量应用情况中，至少介质9中的声速cm是未知的。作为结果，测量的行程时间Tist与计算的行程时间Tsoll不一致，因为在许多情况中，为了简化，对于介质9中的声速cm使用估计值。如果在单独的步骤中测量介质9中的声速cm，可以得到更好的结果。

然后，测量超声测量信号的实际行程时间Tist并将其与计算的行程时间Tsoll比较。根据比较，如果测量的行程时间Tist大于最初给出的行程时间Tsoll，那么两个超声变换器2，3必须靠近移动；两个变换器2，3的距离c因而变小。相反，如果测量的行程时间Tist小于最初指定的行程时间Tsoll，那么两个超声变换器2，3必须距离更远，即，距离c更大。根据本发明，现在向操作人员指示超声变换器2，3必须进行向什么方向、在什么地方、多大程度的相对运动。

图2～4是本发明的设备的不同实施例的示意图。正如已经提到的，根据本发明的位置和状态指示单元12向操作人员通知定位超声变换器2，3所需的信息。在图2所示的情况中，状态和位置的指示经由显示器13进行，该显示器13集成在控制/分析单元8中。超声变换器2，3的位移方向的指示在所示的情况中以箭头表示；这里特别地使用符号表示超声变换器2，3必须具有更大的距离c。需要的位移量可以由箭头长度指示。达到超声变换器2，3的预定距离c可以例如以箭头消失或者合适的文字(例如，“传感器位置达到”)或者相应的通常可以理解的符号表示。

图3显示了在夹合式超声流量计1的情况中，本发明的状态和位置指示单元12的另一实施例。这里，指示是通过两个报告元件14完成的，在最简单的情况中，报告元件是发光二极管。例如，它们的颜色或闪烁指示两个超声变换器2，3必须位移的方向或者是否已经达到正确位置，该正确位置由理想的耦合点A、B表示。

在图4中，两个超声变换器2，3经由引导元件，例如轨道15相互连接。轨道15可以实施为测量系统。或者，测量系统集成入轨道15。这里，这个测量系统确定两个超声变换器2，3之间的距离c并且如果需要的话，显示需要的位移。轨道15方便了两个超声变换器2，3相对于管道7的轴向平行位移。正如已经提到的，这种定位单元在现有技术中已经存在。

位移方向的指示再次在显示器13上完成。例如需要的位移以数字形式在显示器13上例如利用具有数字指示的线性电位计表示。当然，超声变换器2，3的需要位移的指示也可以使用引导元件15上安装的一个或多个发光二极管完成。除此之外，在所有情况中，作为替代或者补充，可以有声学指示，代替光学指示。

另外，本发明的设备的一个优选实施例中，对应于特征量的实际值与相应的预定量的偏差，超声变换器2，3被自动移动到正确位置。在这种情况中，指示单元12可以完全省略。同样，这样的定位机构必须是自动化的。从许多应用领域(例如，材料加工)可以充分了解相应的自动化定位机构。

附图标记

1    超声流量计

2    超声变换器

3    超声变换器

4    压电元件

5    压电元件

6    耦合楔/先导体

7    容器/管道

8    控制/分析单元

9    介质

10    管壁

11    定位单元

12    指示单元

13    显示器

14    报告元件

15    轨道/引导元件

16    耦合楔/先导体

S     流动方向

SP    声音路径

ds    从超声变换器到管壁的距离

dr    管壁的厚度

di    管道内径

cs    先导体中的声速

cr    管道中的声速

cm    介质中的声速

αs   超声变换器中的角度

αr   管道中的角度

αm   介质中的角度

n     横贯数目

c     超声变换器的距离

Claims (12)

1.用于在介质(9)流经的容器(7)上定位夹合式流量计(1)的设备，包括：

至少两个超声变换器(2；3)，其将测量信号发射入容器(7)并且/或者接收来自容器(7)的测量信号；

定位单元(11)，用于超声变换器(2，3)在容器(7)上的可变定位；和

控制/分析单元(8)，其从预定的过程和/或系统量计算测量信号的特征额定量Tsoll，并且基于计算的特征额定量Tsoll与相应的测量实际量Tist的比较，确定超声变换器(2，3)是否被最优定位或超声变换器(2，3)的位置是否需要改变；

其中，超声变换器(2；3)可以根据计算的特征额定量Tsoll与相应的测量实际量Tist的偏差而自动移动到正确位置。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括指示单元(12)，其向操作人员指示需要的位置变化和/或需要作出的位置变化的方向。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，这样构造指示单元(12)，使得它以视觉或听觉方式的信号向操作人员指示超声变换器(2，3)的正确位置，或者使得指示单元(12)向操作人员连续提示超声变换器(2，3)为了正确定位应在什么方向上移动。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，指示单元(12)是夹合式流量计(1)中集成的一部分。

5.根据权利要求2所述的设备，其中，指示单元(12)是显示器(13)。

6.根据权利要求5所述的设备，其中两个超声变换器(2，3)的位移方向和/或位移量以数字和/或图形符号的形式在指示单元上指示。

7.根据权利要求2所述的设备，其中指示单元(12)是至少一个光学报告元件，或者指示单元(12)是至少一个光学报告元件和至少一个声学报告元件，其中报告元件能够以不同模式操作。

8.根据权利要求2所述的设备，其中指示单元(12)是至少一个声学报告元件，或者指示单元(12)是至少一个光学报告元件和至少一个声学报告元件，其中报告元件能够以不同模式操作。

9.根据权利要求7所述的设备，其中光学报告元件是发光二极管，其中模式包括闪亮模式、打开模式和/或关闭模式。

10.根据权利要求7所述的设备，其中这样构造光学报告元件，使得不同的颜色特征和/或符号与不同的模式相关。

11.根据权利要求8所述的设备，其中这样构造声学报告元件，使得不同的模式通过不同的音调和/或至少一个音调的不同重复频率实现。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，特征额定量是测量信号的强度和/或测量信号的行程时间。

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