CN101206131A - 超声波流量测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种超声波流量测量仪，带有测量管，该测量管在横截面看具有两个二分之一圆周；设置两个分别配有超声波反射器的超声波换能器对，每个超声波换能器对的超声波换能器在测量管纵向彼此位错地布置在共同的二分之一圆周上，并且超声波换能器对所属的超声波反射器在测量管纵向看在两个超声波换能器之间布置在另外的二分之一圆周上，致使从超声波换能器对的一个超声波换能器发射的超声波信号沿V－形信号路径经过对应的超声波反射器达到另一个超声波换能器。按照本发明，第一超声波换能器对和第二超声波反射器布置在一个二分之一圆周上，第二超声波换能器对和第一超声波反射器布置在另一个二分之一圆周上。以此实现超声波流量测量仪改进的测量精确度。

Description

超声波流量测量仪
技术领域
本发明涉及一种超声波流量测量仪，带有一个可由一种介质流过的测量管，该测量管在横截面看具有两个二分之一圆周，其中设置两个超声波换能器对，为它们分别配设了一个超声波反射器，每一个超声波换能器对的超声波换能器在测量管的纵向方向彼此位错地布置在一个共用的二分之一圆周上，配属于各超声波换能器对的超声波反射器在测量管纵向方向看是在两个超声波换能器之间布置在另外的二分之一圆周上，致使从一个超声波换能器对的一个超声波换能器发射的超声波信号沿着一个V-形信号路径经过配属于超声波换能器对的超声波反射器达到超声波换能器对的另一个超声波换能器。
背景技术
如果通过测量管流动的介质具有流动干扰并因此偏离一种完全发展出的层流的或紊流的流动模式，超声波流量测量仪一般显示一个变坏的测量精度。这些干扰可以例如通过管子的横截面变化或弯曲造成，介质流过这些管子。在这些干扰中，一般区分为三种类型，即轴向干扰，切向干扰，如涡流，和径向干扰。切向和径向干扰对于实际容积流量的变化没有影响。但是它们如在下面进行的说明那样影响超声波测量。
在超声波流量测量仪中，一般设置至少两个超声波换能器，它们共同形成一个超声波换能器对，并且此外在流动方向上彼此位错地布置。超声波换能器之一发射一个超声波信号，该信号经过流动的介质并由另外的超声波换能器接收。此时一般这样进行，即也可以由另外的超声波换能器发射一个超声波信号，该信号由第一超声波换能器接收。以这种方式，超声波信号交替地顺着或逆着流动方向通过流动的介质。基于在流动的介质中的引动效应，在流动方向或在流动方向相反的方向得出不同的传输时间。如果声音路径的长度和声音路径相对于流动方向的角度是已知的，则为此可以借助于在流动方向或在流动方向相反的方向的传输时间反推出介质的流动速度。
如果一个管路例如具有一个向上或向下的弯曲和随后有个向右或向左的弯曲，则可以预料在流动模式中有轴向及切向的干扰。其中，切向干扰导致沿着通过声音路径给出的测量路径的附加速度分量，从而导致对整个已有流动速度决定性的传输时间的失真。
为了解决这个问题，迄今是这样作的，即在一个共用的平面中应用至少两个交叉的测量路径。如果两个测量路径相对于流动方向的角度总是大小相等，那么如果将为两个路径分别确定的速度取中数，则将不受欢迎的切向和径向速度分量消除。
此时有个缺点在于，至少要求双倍数量的超声波换能器。如果必须在测量管中设置更多的超声波换能器，则一般也必须为这些超声波换能器在测量管的壁中提供附加的换能器槽(Wandlertaschen)，这导致对流动的附加干扰。
为解决上述问题的另一个方案在于应用V-形信号路径。此时这样进行，将一个超声波换能器对的两个超声波换能器设置在测量管的一个共用侧面上，其中在测量管的对置的侧面上准备一个超声波反射器。视在各自平面中测量管的曲率而定，独自通过测量管的内壁就已经可以形成这样一种超声波反射器，然而也可以设置一个单独的超声波反射器，例如以一个平板形式。这适用于现有技术，也适用于下面阐述的本发明。
从一个超声波换能器发射的超声波信号沿着一个V-形信号路径经过超声波反射器向超声波换能器对的另外的超声波换能器运行。同样也可以将超声波信号向其它的方向发射。如以前说明的那样，以此基本上也实现一种布置，在该布置时可以通过取平均值达到消除切向和径向部分。此时一个重要的优点在于，不要求附加的超声波换能器。
从US 2004/0011141 A1公知一种开始时所阐述类型的超声波流量测量仪。在这种仪器中设置多个V-形信号路径，这些信号路径分布在彼此平行的平面中。超声波换能器对和超声波反射器，分别设置在超声波流量测量仪测量管的单独的侧面上。这在可以至少将最上面的和最下面的V-形信号路径以到测量管内壁微小的最大间隔布置时是有利的。也就是证实了，到测量管内壁的较小的间隔导致测量精确度改善，因为在这样一种信号路径时尤其可以用高精确度确定出和因而消除轴向干扰。此外，通过仅仅将超声波换能器共同布置在测量管一侧使维修变得容易，尤其是当测量管很难和有时只从一侧才可接触时更是如此。
事实表明，如前面所述，应用大量在彼此平行平面中的V-形信号路径，可以比在上面所述传统的信号路径布置情况时明显更好地消除流动的径向和切向干扰。然而，试验得出，始终还出现约0.15％的误差。
发明内容
因此本发明的任务是，给出这样一种超声波流量测量仪，它可以在确定流动速度时几乎完全消除切向和径向的干扰。
以开始时阐述的超声波流量测量仪为出发点，用这样的方式去解决这个任务，即在测量管的一个二分之一圆周上设置第一超声波换能器对和第二超声波反射器，在另一个二分之一圆周上设置第二超声波换能器对和第一超声波反射器。
所以按照本发明设置的是，分别在彼此对置的侧面上布置超声波换能器对，致使一个超声波换能器对的超声波信号从一个侧面并且另一个超声波换能器对的超声波信号从另一个侧面发射到流动的介质中。把这种新型的布置作为认识的基础，即在消除切向和径向干扰时，迄今尚存在的误差基本上以这些干扰在轴向方向不是恒定的为依据。然而，通过所推荐的信号路径的布置，如下面还要更准确地进行说明的那样，可以将追溯到这上面的误差基本上完全消除。
在此处要指明的是，″在″一个二分之一圆周上的一个超声波换能器或一个超声波反射器的布置意思是这样一种布置，该布置在测量管内壁的范围中使超声波信号的发射、接收或反射成为可能。
此外，″V-形″的信号路径指的是所有这种类型的信号路径，这些路径以这种方式达到，使超声波换能器对的超声波换能器在流动方向看是彼此位错布置的，并且使超声波反射器在流动方向看是布置在它们之间的一个位置上的。尤其是，一个″V-形″的信号路径不要求在″V″的两个腿之间有确定的角度，并且也不要求两个腿的长度相同。
原则上可以使两个V-形信号路径分布在相同的平面中。然而，按照本发明的一种优选的改进方案，两个V-形信号路径分布在不相同的平面中。其中此外优选的是规定，不同的平面在测量管之内不相交。其中特别优选的是，不同的平面彼此平行分布。
上面说明的那些本发明的优点，在只设置有两个超声波换能器对时已经达到。然而，按照本发明的一种有利的改进方案，为了实现另一个V-形信号路径，设置至少一个另外的带有对应的超声波反射器的超声波换能器对。其中特别优选的是，准备好多个附加的超声波换能器对，致使在多个彼此不同的并且优选彼此平行分布的平面中分别可以实现一个V-形信号路径，其中在彼此相邻的信号路径中，那些超声波换能器分别设置在测量管的不同的二分之一圆周上。在测量管的径向方向看，因此得到一些其开口或尖端交替地设置在测量管的一个或另一个二分之一圆周上的V-形信号路径。
按照本发明的一个优选的改进方案规定，在测量管的纵向方向看，两个超声波反射器最多间隔开一个超声波换能器对的两个超声波换能器之间的最大间隔。其中特别优选的是，在测量管的纵向方向看，所有超声波反射器是布置在测量管的同一个长度上的。
除了上面说明的本发明的任务外，也经常提出这个问题，即要为超声波流量测量仪设置一种诊断功能，该诊断功能允许对是否保持了正确测量操作提出看法。
以开始时阐述的超声波流量测量仪为出发点，这样去解决这个任务，即设置一个带有对应的超声波反射器的第三超声波换能器对，用于实现V-形信号路径，该信号路径分布在这样一种平面中，该平面与测量管之内的其它两个平面相交。
按照本发明，即按照这种解决办法规定，第三信号路径无论如何相对于两个其它平面以不为零的角度分布，致使两个其它信号路径平面在流动介质的范围中相交。以这种方式例如使这种类型的诊断功能成为可能，用该诊断功能可以确定，是否在测量管的底部积累有脏物。
基于这种脏物的积累，也就是将在那里设置反射的位置向测量管的中心推移，致使声音的路径也缩短。如果在测量操作过程中发现与两个其它平面相交的第三信号路径的传输时间缩短，则这可以是对不受欢迎的脏物沉积的一个提示。除此之外，第三V-形信号路径的上述布置，该路径与测量管之内的其它两个平面相交，也使附加确定流量值成为可能，以便进一步提升流量测量的精确度。
其中，按照本发明一种优选的改进方案尤其规定的是，两个其它平面在测量管之内不相交。其中特别优选的是，两个其它平面彼此平行分布并且第三平面垂直于两个其它平面分布。其中，按照本发明的一种优选的改进方案规定，第三平面包含有测量管的纵轴。
然而，按照本发明的一种优选改进方案也可以，设置带有对应的超声波反射器的第四超声波换能器对，用于实现V-形信号路径，其中这个信号路径分布在这样一种平面中，该平面与测量管之内的其它两个平面相交，其中相对于第一平面和第二平面，第三平面和第四平面分别以不等于90°的角度分布并且彼此不平行。以这种方式例如可以将前面所述的诊断功能扩展到更多可检验的反射位置。
此外，其它优选的改进方案在类似于上面与第一个本发明解决办法有关联所述及的实施方案中得出，尤其是鉴于设置多个其它的超声波换能器对，这些超声波换能器对尤其是为了在彼此不同的、优选彼此平行的平面中提供V-形信号路径设置的。
最后，本发明还涉及一种超声波流量测量仪，带有一个可由一种介质流过的测量管，该测量管在横截面看具有两个二分之一圆周，其中设置超声波换能器对，为其配设了超声波反射器，每一个超声波换能器对的超声波换能器在测量管的纵向方向彼此位错地布置在一个共用的二分之一圆周上，并且对应于各超声波换能器对的超声波反射器在测量管纵向方向看是在两个超声波换能器之间布置在另外的二分之一圆周上，致使从一个超声波换能器对的一个超声波换能器发射的超声波信号沿着一个V-形信号路径经过对应于超声波换能器对的超声波反射器达到超声波换能器对的另一个超声波换能器。
如上面已经阐述的那样，超声波换能器一般设置在换能器槽中，这些换能器槽可以布置在测量管的壁中。其中有问题的是，在测量带有液体部分的气体的情况，这些液体部分沉积在换能器槽中并且会在那里引起问题。如果例如水滴沉积在换能器槽中，则这个水滴可能在超声波换能器与测量管之间形成一个桥，致使有不受欢迎的声音从否则被测量管在很大程度上隔声的换能器进入到管中。
因此，本发明的另一个任务在于，给出一种避免上述问题的超声波流量测量仪。
以前面所述及的超声波流量测量仪为出发点，这样去解决这个任务，即将测量管这样定位，使超声波换能器对的超声波换能器高于对应的超声波反射器布置。
因此，按照本发明确保为超声波换能器设置的换能器槽可以向测量管内部倾斜，致使这些槽对于液体和糊状的介质是自动排空的。这种处理方式原则上可以与所有前面所述实施方式组合。
按照本发明一种优选的改进方案，设置至少一个另外的带有对应的反射器的超声波换能器对，用于实现另一个V-形信号路径，该信号路径分布在一个平面中，该平面与测量管之内第一V-形信号路径的平面不相交，其中另一个超声波换能器对的超声波换能器是高于对应的超声波反射器布置的。其中特别优选的是，这些平面彼此平行分布，并且超声波换能器对设置在测量管的一个二分之一圆周上，超声波反射器设置在另一个二分之一圆周上。因此，在设置多个V-形信号路径时也达到前面提到的超声波换能器的换能器槽的自动排空。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明。在附图中展示
图1a，b按照本发明第一个优选的实施例的超声波流量测量仪的实施方式的示意图，
图2a，b按照本发明第一个优选的实施例与现有技术比较，在超声波流量测量仪俯视图中信号路径分布示意图，
图3a，b按照本发明第二个优选的实施例的超声波流量测量仪的示意图，
图4a，b按照本发明第三个优选的实施例的超声波流量测量仪的示意图，
图5按照本发明第四个优选的实施例的超声波流量测量仪的示意图。
具体实施方式
从图1a和1b中看到的是，按照本发明第一个优选的实施例的超声波流量测量仪的横截面图或透视视图。示出的只是本发明超声波流量测量仪的主要组成部分，即一个可由未进一步示出的介质流过的测量管1和多个分别带有超声波换能器3的超声波换能器对2，其中为每个超声波换能器对2配设了超声波反射器4。此外，超声波换能器对2是交替地设置在测量管1的一个或另一个二分之一圆周上，更确切地说是这样，使产生出分别具有V-形信号路径5的平行平面。通过在测量管1的一个或另一个侧面上交替布置超声波换能器对2或与此对应的超声波反射器4，使得V-形信号路径5具有交替地朝一个侧面或另一个侧面的开口。此外，还要指明的是，对于在中心的信号路径5，测量管的内壁自已作为超声波反射器4起作用，即不需要单独的超声波反射器。
这也示意性地在图2a和2b中示出。这些图在图2a的俯视图中展示了现有技术的一种情况，在该情况中设置的是一个唯一的V-形信号路径5或设置多个V-形信号路径5，然而这些信号路径的开口都朝向右侧。相反，图2b示意性地展示信号路径5的一种布置，如在图1a和b中展示的本发明第一个优选实施例那样，即是这样，至少一个信号路径5带有一个向右的开口，并且存在具有向左的开口的信号路径5。试验证明，由此可以明显改善测量精确度。
从图3a和3b中看到的是，按照本发明第二个优选的实施例的超声波流量测量仪，即一个是以横截面视图，并且另一个是示意性地以透视视图示出。在这个超声波流量测量仪中，超声波换能器对2和超声波反射器4同样是这样布置，即在彼此平行的平面中得出V-形信号路径。附加规定的是，通过将为此应用的超声波换能器3在上面布置在测量管1上，在一个垂直于平行平面的平面中提供一个同样V-形的信号路径。信号平面包含测量管1的纵轴，致使不必去设置单独的装置作为超声波反射器4，而是可以用测量管1的内壁。相应的适用于彼此平行的信号路径平面的中间平面。
用这种实施方式实现了一种这种类型的诊断功能，用该诊断功能可以确定是否在测量管1的底部积累了脏物。如上面已经阐述的那样，即基于这种脏物的积累，将在那里设置反射的位置向测量管1的中心推移，致使声音的路径缩短。如果在时间的流程中发现相交于其它平面的信号路径有较短的传输时间，那么这可以因此是对不受欢迎的脏物沉积的一个提示。除此之外，通过V-形信号路径的这种布置，该信号路径在测量管1内与其它平面相交，也使附加确定另一个流量值成为可能，以便进一步提升流量测量的精确度。
从图4a和4b中看到的是，按照本发明第三个优选的实施例的超声波流量测量仪，即同样是以一个横截面视图和示意性地以一个透视视图示出。用这种实施方式，基本上可以实现前面按照本发明第二个优选实施例阐述的与超声波流量测量仪有关的优点，其中与其不同的是，不只一个信号路径平面相交于彼此平行的信号路径平面，而是设置两个这种类型的信号路径平面，该两个平面彼此成一个角度分布。如果在此设置一个共用的超声波反射器4，则可以以这种方式将前面阐述过的与测量管1沾污有关的诊断功能扩展到多个可检验的反射位置上。
最后从图5看到的是，以示意横截面表示的按照第四个优选的实施例的超声波流量测量仪。其中有决定性意义的是，超声波换能器3分别布置得高于对应的超声波反射器4，致使超声波换能器3设置在其中的换能器槽6向下方倾斜。如上面已经阐述过的那样，这确保使换能器槽6对于液体和糊状的介质自动排空。

Claims (16)

1.超声波流量测量仪，带有可由介质流过的测量管(1)，该测量管在横截面看具有两个二分之一圆周，其中设置两个超声波换能器对(2)，为它们分别配设了超声波反射器(4)，每一个超声波换能器对(2)的超声波换能器(3)在测量管(1)的纵向方向彼此位错地布置在共用的二分之一圆周上，并且对应于相应的超声波换能器对(2)的超声波反射器(4)在测量管(1)纵向方向看在两个超声波换能器(3)之间布置在另外的二分之一圆周上，致使从超声波换能器对(2)的一个超声波换能器(3)发射的超声波信号沿着V-形信号路径(5)经过对应于超声波换能器对(2)的超声波反射器(4)达到超声波换能器对(2)的另一个超声波换能器(3)，其特征在于，第一超声波换能器对(2)和第二超声波反射器(4)设置在一个二分之一圆周上，第二超声波换能器对(2)和第一超声波反射器(4)设置在另一个二分之一圆周上。
2.如权利要求1的超声波流量测量仪，其特征在于，两个V-形信号路径(5)分布在不同的平面中。
3.如权利要求2的超声波流量测量仪，其特征在于，不同的平面在测量管(1)之内不相交。
4.如权利要求3的超声波流量测量仪，其特征在于，不同的平面彼此平行分布。
5.如权利要求1至4之一的超声波流量测量仪，其特征在于，为了实现另一个V-形信号路径(5)，设置至少一个另外的带有对应的超声波反射器(4)的超声波换能器对。
6.如权利要求1至5之一的超声波流量测量仪，其特征在于，在测量管(1)的纵向方向看，两个超声波反射器(4)最多间隔开超声波换能器对(2)的两个超声波换能器(3)之间的最大间隔。
7.如权利要求6的超声波流量测量仪，其特征在于，在测量管(1)的纵向方向看，所有超声波反射器(4)布置在测量管(1)的同一个长度上。
8.超声波流量测量仪，带有可由介质流过的测量管(1)，该测量管在横截面看具有两个二分之一圆周，其中设置两个超声波换能器对(2)，为它们分别配设了超声波反射器(4)，每一个超声波换能器对(2)的超声波换能器(3)在测量管(1)的纵向方向彼此位错地布置在共用的二分之一圆周上，并且对应于相应的超声波换能器对(2)的超声波反射器(4)在测量管(1)纵向方向看在两个超声波换能器(3)之间布置在另外的二分之一圆周上，致使从超声波换能器对(2)的一个超声波换能器(3)发射的超声波信号沿着V-形信号路径(5)经过对应于超声波换能器对(2)的超声波反射器(4)达到超声波换能器对(2)的另一个超声波换能器(3)，其特征在于，设置带有对应的超声波反射器(4)的第三超声波换能器对(2)，用于实现V-形信号路径(5)，该信号路径分布在这样一种平面中，该平面与测量管(1)之内的其它两个平面相交。
9.如权利要求8的超声波流量测量仪，其特征在于，两个另外的平面在测量管(1)之内不相交。
10.如权利要求9的超声波流量测量仪，其特征在于，两个另外的平面彼此平行分布并且第三平面垂直于两个另外的平面分布。
11.如权利要求8至10之一的超声波流量测量仪，其特征在于，第三平面包含测量管的纵轴。
12.如权利要求1至10之一的超声波流量测量仪，其特征在于，设置带有对应的超声波反射器(4)的第四超声波换能器对(2)，用于实现V-形信号路径(5)，该信号路径分布在这样一种平面中，该平面与测量管(1)之内的其它两个平面相交，其中相对于第一平面和第二平面，第三平面和第四平面分别以不等于90°的角度分布并且彼此不平行。
13.如权利要求8至12之一的超声波流量测量仪，其特征在于，设置至少一个另外的带有对应的超声波反射器(4)的超声波换能器对(2)，用于实现另一个V-形信号路径(5)，其中信号路径(5)分布在一个平面中，该平面平行于最先两个彼此平行的平面分布。
14.如权利要求1至13之一的超声波流量测量仪，其特征在于，将测量管(1)进行定位，使至少一个超声波换能器对(2)的超声波换能器(3)高于对应的超声波反射器(4)布置。
15.如权利要求14的超声波流量测量仪，其特征在于，设置至少一个另外的带有对应的超声波反射器(4)的超声波换能器对(2)，用于实现另一个V-形信号路径(5)，该信号路径分布在一个平面中，该平面与测量管(1)之内的第一V-形信号路径(5)的平面不相交，其中另外的超声波换能器对(2)的超声波换能器(3)高于对应的超声波反射器(4)布置。
16.如权利要求15的超声波流量测量仪，其特征在于，所述平面彼此平行分布，超声波换能器对(2)设置在测量管(1)的一个二分之一圆周上，超声波反射器(4)设置在另一个二分之一圆周上。
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