CN100414261C - 用于确定和/或监控介质的体积流量和/或质量流量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种夹钳式超声流量测量仪表(1)，用于确定容器(7)中介质(2)的体积流量和/或质量流量。本发明的任务是提供较低温度敏感度的夹钳式超声测量仪表(1)。为此，将超声测量信号耦合入容器(7)或耦合出容器(7)的耦合元件(11；12)具有至少两个部分元件(13，14)，它们以这样的方式实现和/或配置，使得进入容器(7)的预定入射角和/或离开容器(7)的预定出射角在扩展的温度范围中近似恒定。

Description

用于确定和/或监控介质的体积流量和/或质量流量的设备

技术领域

本发明涉及用于确定和/或监控容器中，特别是管道中介质的体积流量和/或质量流量的设备，该设备包括：至少一个超声换能器，其发射和/或接收超声测量信号；与超声换能器相关联的耦合元件，经由它将超声测量信号以预定的入射角或出射角耦合入容器或耦合出容器；和调节/分析单元，其基于测量信号或基于从测量信号得到的测量数据，确定测量管中流动的介质的体积流量和/或质量流量。

背景技术

超声流量测量仪表经常应用于过程及自动化技术。它们使得可以无接触地确定管道中介质的体积流量和/或质量流量。

已知的超声流量测量仪表利用多普勒原理或者行程时间差原理工作。在行程时间差原理的情况中，使用超声测量信号在介质的流动方向以及逆流动方向中的不同行程时间。为此，在介质的流动方向和逆流动方向上交替发射及接收超声测量信号。基于超声测量信号的行程时间差，可以确定流速，并且利用已知的管道直径得到介质的体积流量，或者利用已知的密度得到介质的质量流量。

在多普勒原理的情况中，将预定频率的超声测量信号耦合入流动的介质。分析在介质中反射的超声测量信号。根据在耦合入介质的超声测量信号和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流量和/或质量流量。

只有当介质中存在在其上反射超声测量信号的气泡或杂质时，才能够使用根据多普勒原理工作的测量仪表。于是，与使用行程时间差原理的超声流量测量仪表相比，使用多普勒原理的超声流量测量仪表的应用相当受限。

关于测量仪表的类型，插入管道的超声流量测量仪表和超声换能器被利用锁状连合压在管道外部上的夹钳式流量测量仪表是不同的。例如在EP 0 686 255 B1，US-PS 4,484,478或US-PS 4,598,593中描述了夹钳式流量测量仪表。

在两种类型的超声流量测量仪表的情况中，根据情况，超声测量信号以预定的角度射入容纳流动介质的管道或测量管并且/或者从其中接收。为了得到最优的阻抗匹配，超声测量信号经由先导体或耦合楔耦合入或耦合出管道。超声换能器的主要部件是至少一个压电元件，其产生和/或接收超声测量信号。

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引导，并且在夹钳式流量测量仪表的情况中，通过管壁进入液体介质。由于液体和塑料中的声速彼此不同，所以超声波在从一个介质到另一介质的过渡处折射。在从一种介质进入另一种介质的过渡处的折射角依赖于在两种介质n、m中的声速c_m、c_n之比。

数学上，斯涅耳定律可以被优选地表达为以下公式：

c_n/sinα_n＝c_m/sinα_m＝const.(1)

其中：

c_n是例如在由塑料制成的耦合楔中的声速；

c_m是例如在水这样的介质中的声速；

α_n是声音路径和在超声测量信号经过边界表面的点处，耦合楔的边界表面的法线之间的角度；和

α_m是在声音路径和在超声测量信号经过边界表面的点处，介质的边界表面的法线之间的角度。

利用塑料的耦合楔或先导体，可以获得良好的阻抗匹配；然而，塑料中的声速具有相对较强的温度依赖性。典型地，塑料中的声速从25℃时的约2500m/s改变到130℃时的约2200m/s。除了在塑料耦合楔中由于温度引起超声测量信号的行程时间改变之外，超声测量信号在流动介质中的传播方向也改变。在根据行程时间差方法操作的超声流量测量仪表的情况中，这两种改变自然都对测量准确性不利。除此之外，传播速度在某种介质中也类似地具有强烈的温度依赖性。

为了对抗耦合楔的温度依赖性，从WO 02/39069A2已知，从圆弧形式的多个片段中构造耦合元件。优选地，片段由金属制成。各个片段彼此分离地排列并且它们从触点平面向外延伸至底座，该触点平面朝向压电元件，底座与管壁相连。在这种情况中，这样测量各个片段的长度，使得以预定角度在底座发射并接收超声测量信号。然而，这种实施方式相对复杂。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种夹钳式超声测量仪表，其测量精度对于介质和/或环境的温度变化相对不太敏感。

通过具有至少两个耦合楔的耦合元件解决该任务，它们相继被超声测量信号经过，并且耦合楔由不同材料制成，其中这样选择材料，使得第二耦合楔的声速或折射率由温度变化引起的变化补偿第一耦合楔的材料的声速或折射率由温度变化引起的变化。

本发明的设备的具有优点的进一步发展涉及以下情况：被测介质中的声速自身具有较强的温度依赖性，并且被测介质温度与耦合楔的温度步调一致地改变。在这种情况中，与斯涅耳定律一致，超声测量信号的入射角或出射角也是通过介质中声速的温度依赖性而确定的。根据本发明，为了保持进入介质的入射角或离开介质的出射角在扩展的温度范围上基本恒定，这样选择耦合元件的至少两个部分元件的材料和尺寸，使得实际上不发生入射角/出射角的改变，而该改变将在期望的容许极限内负面影响测量结果。在这种解决方案的情况中，还涉及介质特定的方案。

在本发明的设备的优选实施例中，耦合元件包括至少两个耦合楔，它们被超声测量信号相继穿过。优选地，耦合楔由具有不同声速的塑料制成。

根据本发明的设备的优选实施例，部分元件或耦合楔由不同材料制成，其中这样选择材料，使得第一部分元件或第一耦合元件材料的声速或折射率由温度变化引起的变化被至少第二部分元件或第二耦合楔的声速或折射率由温度变化引起的变化所大致补偿。优选地，在尽可能大的温度范围上进行补偿。

在本发明的设备的另一实施例中，提供不同材料的多个部分元件或多个相互连接的耦合楔，这样选择材料，使得介质的声速或折射率由温度变化引起的变化以及在至少两个部分元件或耦合楔中声速或折射率由温度变化引起的变化基本上相互补偿。

在这个实施例中，可以直接消除介质的温度波动对于入射角或出射角的影响，或者影响可以保持得足够小，使得测量精度仅被不显著地降低。

根据本发明的设备的具有优点的实施例，这样选择超声测量信号在耦合楔的部分元件中经过的路径长度，使得超声测量信号穿过部分元件所需的相应行程时间之和在预定温度范围上至少大致恒定。这优选地通过合适地选择的部分元件尺寸而实现。这个实施例保证，几乎独立于温度变化，总是可以接收从各个超声换能器得到超声测量信号的最大信号幅度。因而，不需要由于传感器中的温度变化而在管道上重调超声换能器，这种重调或多或少是复杂的。

附图说明

现在基于附图详细解释本发明，附图中：

图1是双穿越配置2中的夹钳式超声流量测量仪表的示意图；

图2是本发明的超声换能器的实施例形式的纵截面；和

图3是在具有和没有补偿的情况下，入射角/出射角作为温度的函数的图形表示。

具体实施方式

图1是在双穿越配置10中夹钳式流量测量仪表1的示意图。流量测量仪表1使用已知的行程时间差方法确定管道7中介质2的体积流量和/或质量流量。

夹钳式超声流量测量仪表1的基本部件是两个超声换能器3、4和调节/分析单元9。两个超声换能器3、4利用图1中未示出的固定装置安装至管道7。合适的固定装置在现有技术中是已知的并且可以从申请人处得到。介质2以流动方向S流经具有预定内径d_i的管道7。

超声换能器3、4作为基本部件包括：至少一个压电元件5、6，其产生和/或接收超声测量信号；和耦合楔或先导体11、12。超声测量信号被经由耦合楔11、12耦合入或耦合出介质2流经的管道7。耦合楔11、12确定离开管道或离开介质的超声测量信号的流入方向或流出方向；另外，它们还用于优化超声测量信号在进入管道7或离开管道7的过渡处的阻抗匹配。

两个超声换能器3、4彼此相距L放置，这样选择距离L，使得在另一超声换能器4、3中接收从超声换能器3、4发送的超声测量信号的尽可能高的能量部分。最优位置依赖于许多不同系统和/或过程变量。这些系统和过程变量例如包括管道7的内径d_i、管壁8的厚度、在制造管道的材料中的声速c₃或介质2中的声速c₄。还要考虑的是不同材料，例如耦合楔、管壁和介质的材料中的声速具有不同的温度依赖程度。

在所示的情况中，这样选择两个超声换能器3、4的距离L，使得根据行程时间差方法交替从和由两个超声换能器3、4发射及接收的超声测量信号经由容纳流动介质2的管道7中的声音路径SP传播。声音路径SP具有两个穿越，即两次横越管道7。穿越可以是直径的或弦的。

图2以截面显示了超声换能器3、4的一个实施例。根据本发明，耦合元件11、12由至少两个部分元件13、14构成，它们被压电元件5、6发射或接收的超声测量信号相继横越。

首先考虑以下情况，其中仅通过部分元件13将超声测量信号耦合入管道7或耦合出管道7。入射角/出射角基本由部分元件13的几何结构确定，即，这样选择部分元件13的几何结构，使得尽可能多的能量经过部分元件13和介质2流经的管道之间的边界表面。超声测量信号的高能量部分的入射或出射对于良好的测量精度至关重要。另外，为了在任意长的时间期间达到可靠的测量结果，确定的最优入射角/出射角也保持恒定也是重要的。正如所说的，与预定值的偏差导致测量精度降低。入射角/反射角的恒久保持也特别是有问题的，因为不同材料中的声速或多或少显示出随温度而变化。

这是本发明的解决方案的根源所在：通过增加声速与第一部分元件13的声速不同的第二部分元件14，有可能至少大致地并且在理想情况中完全地补偿耦合元件11、12或先导体的温度依赖性。当然，本发明的耦合元件11、12还可以由多于两个部分元件13、14构成。它们可以这样实现，使得各个部分元件13、14的依赖于温度的折射角与耦合元件11、12的所有其余部分元件的依赖于温度的折射角之和相反。

原理上，除了耦合元件11、12的声速的温度依赖性，同样显著的是，介质2中的声速具有强烈的温度依赖性。作为例子，这里以水作为介质2。在这种应用中，这样实现由至少两个部分元件13、14构成的耦合元件11、12，使得它在相应很大的温度范围上至少大致补偿水温改变对于超声测量信号的入射角或出射角的影响。

为了确定在耦合元件11、12的部分元件13、14中的合适角度，可以对于一个温度范围或对于各个参考温度(在所示的情况中：25℃)计算出声音路径SP，并且将待测介质，例如水中的入射角/反射角保持为尽可能恒定的值。另外，到待测介质2的进入位置以及从待测介质的离开位置依赖于部分元件13、14中的入射角/反射角。为了保持超声换能器3、4中的温度影响尽可能小，这样定部分元件13、14的尺寸，使得超声测量信号通过超声换能器3、4的部分元件13、14的行程时间之和在较宽的温度范围上恒定。

数学上，介质n中声速c对于温度的依赖性可以根据下面的等式(2)表达为第一近似：

c_T，n＝c_25℃+Δc·T  (2)

对于声速的温度变化的参考值，通常采用25℃时介质n中的声速。公式中的Δc代表声速c依赖为温度T的改变。

通过连续应用斯涅耳定律，可以利用以下公式计算在管道中流动的介质(n＝4)中的入射角/出射角ζ：

${\mathrm{\ζ}}_{T,4}=\arcsin (\frac{c_{T,4}}{c_{T,2}}\·\sin ({\mathrm{\δ}}_3-\arcsin (\frac{c_{T,2}}{c_{T,1}}\·\sin {\mathrm{\δ}}_2)))---\left(3\right)$

其中：T是温度

c(T，n)是不同材料中的声速，其中标号n＝1…4代表

1补偿楔，即，第二部分元件14；

2耦合楔，即，第一部分元件13；

3管壁8；

4管道7中流动的介质2；

δ₂补偿楔14的角度；和

δ₃耦合楔的角度。

如果介质温度恒定或者如果介质中的声速变化可以在温度范围内忽略，那么有以下公式：

$\frac{\sin ({\mathrm{\δ}}_3-\arcsin (\frac{c_{T,2}}{c_{T,1}}\·\sin {\mathrm{\δ}}_2))}{c_{T,2}}=\mathrm{const}.\left(T\right)---\left(4\right)$

其中：T是温度；

c(T，1)是补偿楔，即第二部分元件14中的声速；

c(T，2)是耦合楔，即第一部分元件13中的声速；

δ₂是补偿楔的角度；和

δ₃是耦合楔的角度。

图3以图表显示了根据本发明的解决方案如何大致补偿温度对于进入或离开介质的入射角或出射角ζ的影响。特别地，实线代表有补偿时，介质2中超声测量信号的入射角或出射角ζ的温度依赖性；虚线显示了没有本发明的补偿时，入射角或反射角θ的相应温度依赖性。θ(T，3)代表在没有附加补偿楔14时耦合元件13发生的相应角度改变。Δζ(T，4)是温度ζ(T，4)时相对于25℃时的入射角的偏移。在所示情况中，测量介质2是水。第一部分元件13是塑料，其声速c(25℃，1)为2668m/s，并且Δc₁＝-4.5m/s/K。在第二部分元件14的情况中，它是塑料，其声速c(25℃，2)为2451m/s，并且Δc₂＝-0.73m/s/K。曲线显示，在0℃～100℃的温度范围中，通过增加根据本发明的第二部分元件14(补偿楔)，介质2中的入射角或反射角ζ的温度依赖性基本被补偿。在超声流量测量仪表1正在或可以使用的整个温度范围上，入射角或反射角ζ大致恒定。

附图标记

1  夹钳式超声流量测量仪表

2  介质

3  超声换能器

4  超声换能器

5  压电元件

6  压电元件

7  管道/容器

8  管壁

9  调节/分析单元

10 双穿越配置

11 耦合元件/先导体

12 耦合元件/先导体

13 第一部分元件

14 第二部分元件

Claims (5)

1. 用于确定和/或监控容器或管道中介质的体积流量和/或质量流量的设备，包括：至少一个超声换能器，其发射和/或接收超声测量信号；与超声换能器相关联的耦合元件，经由其将超声测量信号以预定入射角或出射角耦合入容器或耦合出容器；和调节/分析单元，其根据测量信号或根据从测量信号得到的测量数据确定测量管中流动的介质的体积流量和/或质量流量，

其特征在于，

耦合元件(11，12)包括至少两个耦合楔(13，14)，它们相继被超声测量信号经过，并且耦合楔由不同材料制成，其中这样选择材料，使得第二耦合楔(14)的声速(c1)或折射率由温度变化引起的变化补偿第一耦合楔(13)的材料的声速(c2)或折射率由温度变化引起的变化。

2. 根据权利要求1所述的设备，其中，对于超声测量信号的入射角或出射角(ζ)也由介质(2)的温度依赖性确定的情况，耦合元件(11，12)的耦合楔(13，14)以这样的方式实现和/或配置，使得在扩展的温度范围中，进入介质(2)或离开介质(2)的入射角或出射角(ζ)恒定。

3. 根据权利要求1或2所述的设备，其中，耦合楔(13，14)由塑料制成。

4. 根据权利要求1或2所述的设备，其中，提供不同材料的耦合楔(13，14)，其中这样选择材料，使得介质(2)的声速或折射率由温度变化引起的变化以及至少两个耦合楔(13，14)中声速或折射率由温度变化引起的变化相互补偿。

5. 根据权利要求1或2所述的设备，其中，这样选择耦合楔(13，14)的尺寸或者超声测量信号在耦合元件(11，12)的耦合楔(13， 14)中经过的路径长度，使得超声测量信号穿过耦合楔(13，14)所需的相应行程时间之和在预定温度范围上恒定。

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