CN101076709A - 用于确定和/或监控介质的体积和/或质量流量的设备 - Google Patents

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CN101076709A CNA2005800382109A CN200580038210A CN101076709A CN 101076709 A CN101076709 A CN 101076709A CN A2005800382109 A CNA2005800382109 A CN A2005800382109A CN 200580038210 A CN200580038210 A CN 200580038210A CN 101076709 A CN101076709 A CN 101076709A
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阿希姆·维斯特
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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控介质的体积和/或质量流量的设备，其中该介质以流动方向(S)流经具有内径(D)的管道/测量管(3)。所述设备包括至少两个超声换能器(14)和一个控制/分析单元(4)，其中超声换能器沿确定的声路发送和/或接收超声测量信号，控制/分析单元根据行程时间差原理，基于超声测量信号确定测量介质(2)在管道/测量管(3)中的体积流量和/或质量流量。为了提供多通道超声流量测量仪表，在管道/测量管(3)的内部空间(15)中提供至少一个反射器元件(5，9，10，11，12，13)。反射器元件(5，9，10，11，12，13)与管道/测量管(3)的内壁(6)相距确定距离(d)，并且位于贯穿管道/测量管(3)的超声测量信号的声路内。

Description

用于确定和/或监控介质的体积和/或质量流量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监控测量介质的体积和/或质量流量的设备，其中该测量介质以预定流动方向流经具有预定内径的管道。所述设备包括至少两个超声换能器和一个控制/分析单元，其中超声换能器沿确定的声路发送和/或接收超声测量信号，控制/分析单元根据行程时间差原理，基于超声测量信号确定容器中的测量介质的体积和/或质量流量。测量介质通常是气态或液态测量介质。流量测量仪表或者是夹持型流量测量仪表或者是安装在管道中的在线流量测量仪表。
背景技术
上述利用所谓的行程时间差方法确定体积流量的超声流量测量仪表类型经常应用于过程及自动化技术中。特别是夹持型流量测量仪表的优点是能够无接触地确定容器(例如管道)中的体积流量，即，不需要接触介质。例如在EP 0 686 255 B1、US-PS 4,484,478、DE 43 35 369C1、DE 298 03 911 U1、DE 4336370 C1或US-PS 4,598,593中记载了夹持型流量测量仪表。
在这两种类型的超声流量测量仪表中，以预定角度将超声测量信号辐射入其中容纳介质的容器或者从中接收该超声信号。超声换能器在在线测量仪表的情况中位于测量管上，在夹持型测量仪表的情况中位于管道上，其位置依赖于管道或测量管的内径以及测量介质中的声速。
对于夹持型测量仪表，还必须考虑应用参数、管道的壁厚以及管道材料中的声速。
超声换能器的基本部件通常是压电元件。由压电元件产生或接收的超声测量信号被经由耦合楔或阻流体，并且在夹持型测量仪表的情况中还经由管壁，导入管道或测量管内部。
通常，在两种类型的超声流量测量仪表的情况中，两个超声换能器这样设置，使得横贯的声路被发送通过管道或测量管的中央区域。于是，确定的流量测量值反映管道或测量管中的介质的平均流量。在许多应用中，特别是在较大额定直径的管道中的流量测量的情况中，这种平均非常不精确。于是，在在线流量测量仪表的情况中，还已知在测量管提供分布在测量管外围的多对传感器，从而可以获得来自测量管不同分段角度区域的流量信息。当然，由于传感器对的数目增多，这种解决方案自然相对昂贵。
对于分段流量测量的相应的多路径或多通道布置还没有引入夹持型流量测量仪表。作为代替，在夹持型流量测量仪表的情况中，声路通常经过管道的中央区域，从而在管道的全部区域上一体地提供流量。然而，为了精确地获得流动特性，必须引导声路经过管道或测量管的预定片段。如果测量腐蚀性介质或者如果不能使用在线流量测量仪表，那么必须考虑其它测量原理，因为已知的夹持型流量测量仪表具有较低的测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声流量测量仪表，其能够获得依赖于管道或测量管内径的片段流速。
这个目的通过以下特征实现：在管道的内部空间中提供至少一个反射器元件，反射器元件与管道内壁相距确定的距离并且反射器元件设置在管道中延伸的超声测量信号声路中。这样实现和/或设置反射器元件，使得它在测量技术所感兴趣的位置中断声路并且偏转超声测量信号。于是，超声测量信号仅携带来自测量管或管道的贯穿空间区域的信息。
在在线流量测量仪表的情况中，本发明的解决方案提供了对于测量管中的测量介质的流动特性的片段检测的全新方向。一直以来，测量管不同片段中的声路，例如在中央区域和不同边缘区域中的声路是通过在测量管的外围上的不同角位置设置多对传感器而限定的，与此相反，在本发明中，声路是通过根据特定应用情况而在测量管中合适地设置反射器元件而实现的。原理上，在本发明的解决方案中，一对传感器就已经可以提供关于测量管中的测量介质的流动特性的信息。并且，本发明的解决方案首次能够实现多路径夹持型流量测量仪表。
在本发明中，反射器元件可以以任何方式实现。在一个实施例中，至少一个反射器元件是管状元件。优选的，管状元件居中地设置在管道中。
在本发明的设备的具有优点的进一步发展中，管状元件经由接片固定至管道或测量管的内壁。在这个实施例中，可以从流量测量中消除特定的边缘区域。在这个实施例中，接片用作声导。于是，声导在测量技术所感兴趣的位置被中断。以这种方式，例如可以仅仅在管道或测量管的中央或核心区域进行流量测量。
在另一实施例中，反射器元件实施为盘状。同样，反射器元件经由一个或多个接片固定至管道或测量管的内壁。在这种情况中，反射器元件和接片基本实施为T状。本发明的设备的具有优点的进一步发展中，超声换能器和接片这样彼此设置，使得超声测量信号可以经由接片射入或射出管状元件的内部区域。通过这个实施例，可以确定期望片段中的流量，因为流量测量中不考虑其中具有接片的区域。
作为具有圆形横截面的管状实施例的替代，管状元件还可以具有n角形横截面，其中n是大于等于3的自然数。优选的，这样实施管状n角形元件，使得其外径基本对应于管道的内径，并且管状元件在顶角区域与管道相连。
在本发明的设备的优选实施例中，反射器元件是一个或多个盘状小板，其对于流动的介质具有可忽略的流动阻力。为了检测在管道或测量管的不同片段内部的流量，例如多个小板以梯子的空间上彼此偏置的阶梯的形式设置。
作为替代，可以螺旋设置小板。关于这一点，本发明的设备的具有优点的实施例中提供控制单元，通过它可以将盘状反射器小板移入或移出声路。正如已经说明的，小板可以或者设置为螺旋形式，或者对应于偏置的梯子结构的横梁。
为了检测来自不同空间区域的超声测量信号，通常必需使用相应数目的超声换能器，它们彼此偏置地设置。作为替代，可以这样实现通过行程时间差进行分析所需的至少两个超声换能器，使得它们在预定空间区域上发送和/或接收超声测量信号或声场。如果超声测量信号在相应于特定应用的张角内被发送和接收，那么根据本发明，通常一对传感器就足以得到来自管道或测量管不同片段的流量信息。
在另一实施例中，超声换能器具有多个压电元件作为发送和/或接收元件，它们排列成阵列。通过合适地启动发送和/或接收元件，可以实现不同的发射或接收角以及具有不同角方向的声路。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是本发明的设备的第一实施例的纵截面，其具有三个超声传感器以及经由接片的射入及射出；
图1a是图1所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图2是本发明的设备的第二实施例的纵截面，其具有两个超声传感器以及经由接片的射入及射出；
图2a是图2所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图3是本发明的设备的第三实施例的纵截面，其具有三个超声传感器和一个具有圆形截面的管状反射器；
图3a是图3所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图4是本发明的设备的第四实施例的纵截面，其具有三个超声传感器和一个具有圆形截面的管状反射器；
图4a是图4所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图5是本发明的设备的第五实施例的纵截面，其具有三个超声传感器和一个具有三角形截面的管状反射器；
图5a是图5所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图6是本发明的设备的第六实施例的纵截面，其具有两个超声传感器和一个通过T形反射器的接片的射入/射出；
图6a是图6所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图7是本发明的设备的第七实施例的纵截面，其具有四个超声传感器和一个通过T形反射器的接片的射入/射出；
图7a是图7所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图8是本发明的设备的第八实施例的纵截面，其具有一个固定的超声传感器和一个可移动的超声传感器并且具有反射器小板；
图8a是图8所示的本发明的设备的实施例的横截面；
图9是本发明的设备的第九实施例的纵截面，其具有两个超声传感器和可放置于声路中的反射器小板；
图9a是图9所示的本发明的设备的实施例的横截面。
具体实施方式
图1显示了本发明的设备1的第一实施例的纵截面，其具有三个超声传感器14a、14b、14c。在控制/分析单元4中启动超声传感器14a、14b、14c并且利用行程时间方法分析超声测量信号。
在图1(纵截面)和图1a(横截面)所示的实施例的情况中，具有圆形横截面的管状反射器元件5与管道/测量管3共中心地设置。管状反射器元件5包括在其外壁7上的四个接片8。通过接片8，管状反射器元件5固定至管道/测量管3的内壁6。
在所示实施例中，这样设置超声传感器14a、14b，使得一部分超声测量信号通过接片8a、8c而射入或射出。通过这个实施例，可以从流量测量中忽略由接片8a、8c的宽度b限定的管道/测量管3的内部空间15的区域。优选的，这通过从测量的超声测量信号贯穿声路S2所需的行程时间中减去可根据已知参数计算的在接片8a中超声测量信号在声路S1上的行程时间而实现。声路S1在平行于管道/测量管3的纵轴的线上设置的两个超声换能器14a、14b之间延伸；声路S2在两个彼此相对设置的超声换能器14a、14c之间延伸。通过这个上述实施例，可以确定测量介质2在管道/测量管3中央区域中的流量。在这种结构的情况中，相对于测量介质2的平均流量，测量的流量值在很大程度上独立于雷诺数。于是，这个实施例能够很好地用于确定测量介质2的雷诺数或动态粘度。
图2和2a分别显示了本发明的设备1的第二实施例的纵截面和横截面。与图1所示的实施例相比，这个实施例的不同在于仅使用两个超声传感器14a、14b。与所述第一实施例的情况一样，经由接片8实现超声测量信号的入射/出射，然而这些接片8被中断。由于中断的声音传导，测量信号是可用的，它们可被更好地分析。测量再次限于确定在管道/测量管中央区域16中确定介质2的流量。
同时，在图1、1a、2、2a所示的实施例的情况中，在确定流量时忽略确定的边缘区域17，这通过经由接片入射及出射超声测量信号而实现，图3和3a所示的技术方案自身限于确定边缘区域17中的流量。在这个解决方案中，从一个超声换能器14a、14b发送的超声测量信号分别在管状反射器元件5上反射并且由另一超声换能器14b、14a接收。
图4、4a显示的技术方案除了图3、3a所示的技术方案之外，还具有附加的相对设置的超声换能器14c。通过这个技术方案，可以对于边缘区域17和对于中央区域16，彼此独立地确定管道/测量管3中的测量介质2的流量。
图5和5a显示的本发明的设备1的实施例与上述实施例形式(图4、4a)不同在于反射器元件9的形状：这个反射器元件具有三角形横截面。这样定反射器元件9的尺寸，使得它在其顶角区域固定至管道/测量管3的内壁6。
图6、6a、7、7a显示了本发明的设备1的不同实施例，这两个实施例的相同在于，反射器元件10是T形的。不同在于超声换能器14的数目和布置。
图8和8a给出了本发明的设备1的有意思的变型，其中多个反射器小板11设置在梯子状结构中。各个反射器小板11形成梯子12的在空间上相互偏置的横梁。为了在反射器小板11上反射超声测量信号(并且从而可以从管道/测量管3的不同区域获得行程时间信息)，一个替代方案是，至少一个超声换能器14a、14b沿两个换能器14a、14b的连接线相应偏移。作为替代，还可以在指示的位置提供多种超声换能器14。类似的，另一种选择是，使用具有较大张角的超声换能器14，从而其能够将超声测量信号在相对较宽的空间区域上发送并且能够接收在反射器小板11上反射的超声测量信号。另外，超声换能器14可以具有多种压电元件作为发送和/或接收元件，其中发送和/或接收元件设置为阵列。通过利用控制/分析单元4合适地启动发送和/或接收元件，可以实现不同的发送/接收角以及具有不同角方向的声路。
图9和9a中给出了本发明的设备1的最后的实施例。这里，反射器小板11在螺旋13中这样间隔并对齐，使得通过螺旋13围绕其纵轴的旋转，每一反射器小板11旋转进入超声换能器14a、14b的声路。螺旋的旋转可以步进或连续进行。通过这个实施例，可以获得管道/测量管3中的测量介质2的高分辨率流动特性，同时仅使用两个超声换能器14a、14b。
附图标记
1  根据本发明的设备
2  测量介质
3  管道/测量管
4  控制/分析单元
5  具有圆形横截面的管状反射器元件
6  管道/测量管的内壁
7  管状反射器元件的外壁
8  接片
9  具有三角形横截面的管状反射器元件
10 T形反射器元件
11 反射器小板
12 具有偏置设置的反射器小板的梯子
13 螺旋设置的梯子小板
14 超声换能器
15 管道/测量管的内部空间
16 中央区域
17 边缘区域
18 管道/测量管的纵轴

Claims (13)

1.用于确定和/或监控介质的体积和/或质量流量的设备，该介质在流动方向(S)上流经具有内径(D)的管道/测量管(3)，所述设备包括至少两个超声换能器(14)和一个控制/分析单元(4)，其中超声换能器沿确定的声路发送和/或接收超声测量信号，控制/分析单元根据行程时间差原理，基于超声测量信号确定测量介质(2)在管道/测量管(3)中的体积流量和/或质量流量，其特征在于，在管道/测量管(3)的内部空间(15)中提供至少一个反射器元件(5，9，10，11，12，13)；反射器元件(5，9，10，11，12，13)与管道/测量管(3)的内壁(6)相距确定的距离(d)；并且反射器元件(5，9，10，11，12，13)设置在超声测量信号的贯穿管道/测量管(3)延伸的声路内。
2.如权利要求1所述的设备，其中流量测量仪表或者是夹持型流量测量仪表或者是集成在管道(3)中的在线流量测量仪表。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个反射器元件是管状反射器元件(5)。
4.如权利要求3所述的设备，其中一个或多个管状反射器元件(5)居中地设置在管道/测量管(3)中。
5.如权利要求3或4所述的设备，其中管状反射器元件(5)的外壁(7)和管道/测量管(3)的内壁(6)之间提供接片(8)，通过该接片，管状反射器元件(5)固定在管道/测量管(3)中。
6.如权利要求1或2所述的设备，其中带有接片(8)的一个或多个反射器元件(10)基本构造为T状。
7.如权利要求1、5或6所述的设备，其中这样设置超声换能器(14)，使得超声测量信号经由接片(8)可射入管状反射器元件(5)或T状反射器元件(10)的内部区域(15)以及可射出管状反射器元件(5)或T状反射器元件(10)的内部区域(15)。
8.如权利要求4所述的设备，其中管状元件(9)具有n角形横截面，其中n是自然数且n≥3。
9.如权利要求8所述的设备，其中这样构造管状n角形元件(9)，使得其外径基本对应于管道/测量管(3)的内径，并且管状元件(9)在顶角区域与管道/测量管(3)相连。
10.如权利要求1或2所述的设备，其中一个或多个反射器元件是盘状反射器小板(11)，其被这样构造和/或设置，使得其对于流动的测量介质(2)具有可忽略的流动阻力。
11.如权利要求10所述的设备，其中控制/分析单元(4)通过机械学将在由超声换能器(14)发送并接收的超声测量信号的声路上的一个或多个反射器小板(11)移入或移出声路。.
12.如权利要求1或2所述的设备，其中这样构造超声换能器(14)，使得它们在预定空间区域上发送和/或接收超声测量信号或声场。
13.如权利要求12所述的设备，其中超声换能器(14)具有多个压电元件作为发送和/或接收元件，其中所述发送和/或接收元件设置成阵列。
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