CN103959018B - 具有突伸的换能器的流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配置为测量液体的流率的超声波流量计，该流量计包括流动管道2，可选的测量插入物，以及两个或多个超声波换能器8，所述换能器被布置在换能器插入物20中以便通过流动管道中开口被插入流动管道中。该换能器插入物作为壳体底部的一部分与壳体整体地形成。所述换能器插入物在安装位置中经过流动管道中的开口被插入以便延伸进入流动通道，使得换能器插入物的表面15突伸至流动通道中。以这种方式，从流动液体中释放的气泡，诸如空气气泡，将不停留在换能器插入物的前面，不管该流量计在管道装置中的定向如何。

Description

具有突伸的换能器的流量计

技术领域

本发明涉及一种配置为测量液体流率的超声波流量计，并且特别涉及一种当安装在管道装置中时在操作期间对附着至换能器的空气气泡不敏感的流量计。

背景技术

在超声波流量计中，为了测量流动介质的流率或其它参数，超声波换能器向流动介质内发射超声波信号。流动液体可能包含气泡，特别是空气气泡，其从液体不断被释放并且进入管道系统。所释放的空气气泡作为管道系统腔内的气穴驻留在管道系统中持续一段时间，直到被流动的液体冲走。

安装在管道系统内的超声波流量计可以提供腔体，释放的空气可以在其内停留一段时间。管道系统中的气穴不一定会是问题，然而对于超声波流量计来说，存在气穴干扰超声波信号路径并从而干扰测量并且影响精度的风险。如果换能器存在于流动通道的最高点，这尤其是一个问题，因为换能器前面的空间可提供腔体，在该腔体中空气可以停留并且粘附到换能器。

在大多数紧凑型流量计中，也就是其中控制电子设备直接安装在流动部分上的流量计，控制电子设备以及显示器定位在换能器顶侧上。为了避免气泡被捕获在换能器前方的问题，流量计被旋转使得换能器被移动远离该最高点区域。然而，这导致了显示器也被旋转远离竖直视角。流量计安装在各种管道装置中。在很多情况中，显示器的最佳可见性将通过竖直向上指向的显示器实现。

EP1 967 828A1公开了一种流量计，其具有用于显示器的保持机构，所述保持机构可以附接到流动管道从而确保换能器被倾斜远离最高点区域，以避免出现空气气泡问题，同时显示器可安装在水平面内从而确保竖直视角。尽管解决了气泡的问题，但是该解决方案需要复杂的保持机构。

DE10 2007 011 547A1在图5中公开了一种流量计，其中两个换能器以相对的表面插入流动流体的中央区域，由于空气气泡依靠重力寻找流动流体的最高部分，这样的流量计结构将不会有空气气泡附着至换能器的问题，不管该流动管道的定向如何。然而，换能器插入物的组装和安装是一个难题。

WO2007/020375A1公开了一种流量计，其中换能器安装在弯曲流动管道的外侧，使得两个换能器表面在流体的中央区域中彼此相对。该流量计结构将不会有空气气泡附着至换能器的问题，不管该流动管道的定向如何。然而该流量计结构需要弯曲的流动管道，对置的换能器以及换能器的以附接到换能器且连接到控制电子设备的引线形式的电连接。

发明内容

实现对已知流量计的不受附着至换能器的空气气泡影响并且制造起来成本有效的替代方式将是有利的。总体上，本发明优选设法单独地或者任意组合地减轻、缓和或消除上述缺点中的一个或多个。

本发明提供了一种超声波流量计，其配置为测量液体的流率，该流量计包括：

贯通的流动管道，配置为用于液体在入口和出口之间通过，该流动管道限定了入口和出口之间的中心轴线，该流动管道或者通过流动管道自身的内壁，或者通过插入流动管道中的测量插入物的内壁，或者通过流动管道和测量插入物的内壁的组合限定了流动通道；

用于液密地安装在流动管道上的壳体，该壳体包括两个或多个超声波换能器和配置为用于操作换能器并且用于产生表示液体流率的信号或数值的控制电路，该壳体还包括作为壳体底部的一部分被与壳体整体地形成的两个或多个换能器插入物；

所述两个或多个换能器被布置在换能器插入物中；每个换能器包括用于发射和接收超声波信号的表面，该表面限定了表面法线，并且其中该换能器被布置成使得表面法线垂直于中心轴线，并且其中所述换能器插入物包括以平面平行的方式被布置以便覆盖换能器表面的耦合表面；

其中所述壳体在安装位置中被布置为使得换能器插入物通过流动管道中的开口插入以便以如下方式延伸至流动通道中：使得每个换能器插入物的耦合表面被定位为使得整个耦合表面被置于内壁的内截面内部。

本发明因此提供了一种在流量计的入口和出口之间具有直的流动管道的类型的超声波流量计，其中，换能器插入物插入流体中，并且其中换能器的声音产生和接收表面为与彼此、以及与包含中心轴线的平面平行的平面。因此换能器垂直于流动方向。对于这种类型的流量计，这些换能器的平面，(各)电子电路板的平面以及显示器平面可以都是以堆叠方式的平行平面。从与制造相关的自动化观点来看，高度希望重要构件的这种堆叠。此外，通过将超声波换能器和控制电路布置在，可作为子组件被组装并且作为单一单元被安装在流动管道上的壳体内部，提供了支持高成本效益制造过程的流量计。利用突伸至流动通道中的耦合表面，从液体中释放的空气气泡将不停留在和附着到耦合表面，而是朝流动通道中的最高点而去，并且因此远离超声波信号通道。本发明提供了一种流量计，其可以制造起来有成本效益，其能在所有方向上安装，包括具有竖直换能器的方向，无需最小流量来确保持续冲刷空气气泡，但即使在低流速或零流速的情况下保持不受空气气泡影响。显示器和其它电子电路可以被设置在与换能器相同的壳体中以及相同的平面内，而不需要流量计特定的方位。

在各实施例中，该超声波流量计可以是计费的耗量表或可以是其一部分，例如水表，热量表，冷量表或能量表，其中该耗量表被配置用于测量被供应的有用东西的消耗数据，作为收费基础使用。该耗量表可与家庭水供应、地区供热或地区制冷联合使用。该耗量表可以是法定量表，即服从监管需求的量表。这样的监管需求可以是对测量精度的需求。

本发明其它有利的实施例在具体实施方式部分被公开。

附图说明

本发明的各实施例将参考附图仅通过示例方式来描述，图中：

图1示出了超声波流量计的示意性截面图；

图2示出了根据本发明一实施例的超声波流量计的示意性截面图；

图3和图4以示意图方式示出了突出的换能器的几何特征；

图5示出了从流动管道分离开的杯形壳体的侧视图；

图6示意性示出了与图2和图5的杯类似的杯的底部；以及

图7和图8示意性示出了与图2和图5的杯类似的杯的底部的截面形状。

具体实施方式

图1示出了本领域中已知的超声波流量计1。该图以示意性的截面图示出了该流量计。

该流量计包括配置用于液体在入口3和出口4之间的经过的贯通的流动管道2，该流动管道限定了入口和出口之间的中心轴线10。该流动管道包括测量插入物5，该插入物从端部之一插入流体管道中。该测量插入物为保持多个镜子12，此处为三个，的塑料保持件，用于将来自发射换能器8的超声波信号13引导经过流动管道到达接收换能器8。该流动管道限定了带有内壁的流动通道。该内壁由流动管道自身的内壁6和插入流动管道中的测量插入物的内壁7的组合限定。

该流量计包括两个超声波换能器8，分别布置在单独的换能器插入物9中，该插入物9通过流动管道中的开口被插入流动管道中。该换能器通常是陶瓷材料的整体式压电换能器，例如基于锆钛酸铅(PZT)的换能器。每个换能器包括用于发射和接收超声波信号的表面，该表面限定了表面法线11。该换能器以平面平行方式布置使得换能器的表面法线垂直于中心轴线10，该中心轴线10与流动方向平行。为了保护压电材料不与流动液体直接接触，该换能器插入物包括以平面平行方式布置以覆盖换能器表面的耦合表面15。该耦合表面通常是覆盖换能器的保护性金属薄膜的表面或是覆盖换能器的保护性塑料层的表面。该耦合表面是将换能器插入物与流动介质隔离的表面，通过该耦合表面，信号从流动介质传送到换能器。

在图1中，换能器单元以使得耦合表面与流动管道的内壁6处于相同水平的方式插入流动管道中。为了避免超声波信号的衰减，该测量插入物在换能器区域中设有开口，在此通过细轮廓线14示出。以此方式，超声波信号不会穿透测量插入物的壁。

在使用的情形中，如果流量计竖直安装，在流动液体中的气泡，典型地以空气气泡的形式，存在被捕获在测量插入物的开口中、并且因此位于换能器前方的风险。由于换能器前方的空气气泡将会严重恶化超声波信号并且因此降低测量精度，因此这是一个问题。为了避免这种被捕获的空气气泡，本领域中已知的方案是将流量计以旋装方式安装在管道装置中，使得耦合表面被旋转远离最高点，并且空气气泡被捕获的风险被显著降低，特别是在中等流量的情况下。

换能器插入物9被固定以抵抗流动液体的压力。在各实施例中，这可以借助于被安装以便固定换能器插入物的板16而完成。换能器可以与控制电子设备17一起被限制在外壳或壳体18内，该控制电子设备此处是以PCB的形式。在该示出的图中，仅仅显示了单一个PCB，然而其它电路板可以与其它的电子元件一起被呈现在外壳内，诸如显示器，通信电路等等。还示出了温度探头插塞19。通常，温度探头不需要被呈现。例如用于测量水量消耗的水表通常不使用温度探头，并且温度探头插塞将不被呈现。

本发明各实施例中的超声波流量计为渡越时间流量计，其被配置为使用渡越时间流量计用的已知工作原理来测量在流动通道2中流动的液体的流率，其中超声波信号在一个换能器处被发射并且在另一个换能器处被接收，并且其中对向传播信号之间的到达时间的差异被测量并被转换成流率。压电换能器由控制电路17操作，其基于所包含的信号产生表示液体流率的信号或数值。控制电路的信号处理的水平可以从其中处理过的信号被输出到另一电路单元以用于进一步信号处理的基本信号处理到产生确定流率的完整信号处理而不同。该另一电路单元可以是如图2实施例中的流量计的一部分，或者可以是通信连接至流量计的控制电路的单独的计算器电路(未示出)的一部分。

已经结合图1对流量计的各个方面进行了说明，该图1展示现有技术的方案。然而这些通常的方面也与本发明的各个实施例相关。

图1的流量计需要多个步骤以便安装最终的流量计。换能器插入物作为子装配单元被单独地制造，并且被单独地安装到流动管道上。在定位之后换能器插入物通过安装保持器板16或其它装置而被稳固地固定，并且随后这些电子设备以使得在位于壳体内部的电路17与压电换能器8之间获得电连接的方式被安装。

图2示出了根据本发明的实施例，其可以以成本效益更高的方式被制造，并且其提供了对旋转不敏感的方案，例如其允许竖直安装流量计，而不存在流动液体中的空气气泡被捕获在换能器前方的风险。

这是通过其中这些换能器插入物20作为壳体底部的一部分被与该壳体或壳体50整体地形成的流量计1获得的。即这些换能器插入物被集成为壳体的一部分。以这种方式，这些换能器插入物与壳体一起安装在流动管道中的匹配开口中。在安装位置中，这些换能器插入物20被插入流动管道中，以便延伸或突伸至流动通道2中。在存在流动液体的使用的情况中，耦合表面15被浸入流动液体中。因此，换能器插入物20被形成使得中心轴线10和耦合表面15之间的、与表面法线11平行的距离21小于在与流动管道中用于插入换能器插入物的开口边缘相邻接的位置处、在中心轴线10和流动通道内壁6、7之间的、同样与表面法线11平行的距离22，所述位置也即紧挨着流动管道中的开口的位置。

图3和图4以示意性方式示出了突出的换能器的几何特征。在图3中，突伸的换能器在与图2相同的截面中被示意性示出，而图4在横断面中示意性示出了突伸的换能器。

图3示出了具有内壁6的流动管道2的壁31，以及具有内壁7的测量插入物5的壁30。该测量插入物保持镜子12。换能器插入物20安装在流动管道的开口中。换能器插入物保持换能器8。在总体功能水平上，换能器插入物被形成使得其突伸至流动通道中，从而流动管道2中的液体中的气泡在竖直安装的换能器情况下将不停留在耦合表面15处。这可以通过确保换能器插入物的适当深度32来实现。该适当深度可以被表示为沿着耦合表面15的表面法线11的距离。距离21被定义为在耦合表面和中心轴线10之间的与该表面法线平行的距离。距离22被定义为在毗邻流动管道中用于插入换能器插入物的开口的边缘的位置处、在流动通道的内壁7和中心轴线之间的、与该表面法线平行的距离。该中心轴线被作为相对于流动管道2的内壁的中心。通常，在竖直定向换能器情况中，如果距离21小于距离22，气泡将不停留在耦合表面15处。

记住了本发明的教导，本领域技术人员就能够执行必要的测试来确定换能器插入物的适当深度32。然而，在各个实施例中，耦合表面应该距离毗邻换能器插入物边缘的区域至少1mm。即距离22和距离21之间的差应为至少1mm。

在各实施例中，确保中心轴线和耦合表面之间的平行距离小于中心轴线和在毗邻并围绕开口边缘的延伸区域33处的内壁之间的距离可能是有益的。该所谓的延伸区域在各实施例中为至少0.5mm宽。

图4与图3类似但未插入镜子12，然而是沿着图3的线34的示意性截面图。为了示意的原因，距离21和22已经从中心移位。

图4示出了安装位置中的换能器插入物，其中它们经过流动管道中的开口被插入从而以使得每个换能器插入物的耦合表面15被定位成使得整个耦合表面15在换能器插入物的开口区域中被置于内壁7的内截面40内侧的方式延伸至流动通道中。在示出的实施例中，内壁7由测量插入物限定并且内壁的内截面是该测量插入物的内截面。在没有测量插入物的情形中，内壁的截面将是流动管道自身的内截面。

换能器插入物被定位成使得耦合表面15被置于内壁7的内截面40内侧。这可以被表示为中心轴线和耦合表面之间的距离21小于中心轴线和用于整个耦合表面的内壁内截面上的相应点41之间的距离。内截面上的点和耦合表面之间的距离42，处于朝向流动管道中央的方向上，因此总是正的。

图5示出了从流动管道51分开的杯形壳体50的侧视图。

在图2和图5的实施例中示出的壳体50被形成为整体式实体，其作为单元安装在流动管道51上，该壳体是杯形的。流动管道51可要么由聚合材料制成要么由诸如黄铜合金或不锈钢的金属形成。在图2和图5的实施例中，整体式的杯形壳体可以采用聚合材料被浇注。用于该壳体的合适的聚合物材料是：PPS，PES，PPE，PS化合物或PA12，它们除了提供低的透湿性外，还足够结实以便提供结构，该结构当被刚性安装在管道装置中时不会由于施加到该结构上的机械力而破裂。在另一实施例中，该聚合物材料可以是复合材料，即基于聚合物和另一类型的材料，诸如碳，玻璃或类似的。在一实施例中，壳体被浇注为一件。

作为壳体底部的一部分，换能器插入物20被与壳体50整体地形成。壳体将作为单元以液体密封的方式被安装和紧固在流动管道上。在示出的实施例中(图2和图5)，这是通过采用布置在壳体和流动管道之间的密封装置实现的，该密封装置此处是以O形环28的形式。在图5中没有示出该O形环，而是示出了用于O形环的座52。密封装置也可以被置于壳体和流动管道之间的不同区域。

回到图2，换能器8由换能器插入物的底壁保护避免于直接接触液体，该底壁由此形成具有耦合表面15的耦合层27。在换能器插入物内部设置弹簧来将换能器紧紧压向耦合层背侧。覆盖换能器表面的耦合层的壁厚典型地与超声波信号的波长相匹配从而确保穿过该壁的超声波信号的最佳耦合。该耦合层，连同换能器插入物的侧壁，形成了使耦合表面与在流动管道中流动的任意液体接触的水密屏障。

壳体还包括以被布置成用于操作换能器并且产生表示液体流率的信号或数值的板上组装的PCB23的形式的控制电路。然而，除了控制电路23外，在壳体中还存在计算器电路24和显示器25，该壳体由盖26覆盖。

在示出的实施例中，壳体是具有内腔的杯形，其仅设有单一个开口，所述开口由盖布置有用于密封连接的装置。由于换能器插入物是作为壳体底部的一部分被与壳体整体地形成，盖的密封是将腔体以及由此将设于该腔体壳罩中的任何电子设备从外界进行密封而需要的唯一密封。

示出的各实施例都包括测量插入物。本发明被指向这种类型的流量计：其中换能器表面垂直于流动方向，因此需要反射器从而沿着或逆着该流动来指引信号。在示出的各实施例中，反射器以附装至测量插入物的镜子被提供。通常，这些反射器也可被直接附装至流动管道或被形成在流动管道的内侧。因此，通常来说，测量插入物的存在是可选的。此外，测量插入物可保持除了三个以外其它数量的镜子，特别是两个镜子，每一端都可使用一个。然而，可以预想具有多于三个镜子的实施例。

在其中流量计包括测量插入物的实施例中，在安装位置中的换能器插入物的至少之一的边缘，有利地至少在与中心轴线平行的一个方向上锁定测量插入物。这在图2和3中被看出，其中两个换能器插入物被插入测量插入物的开口中，从而每个换能器插入物的边缘与测量插入物开口的边缘相互作用，并且因此在流动方向上以及在沿着内壁圆周的旋转方向上锁定测量插入物。测量插入物在各实施例中可由设于流动管道内壁中止挡和换能器插入物的至少之一的组合锁定在位。

图6示意性示出了与图2和5的杯50类似的杯的底部60，该杯在与用于发射和接收超声波信号的换能器表面平行的平面中具有换能器插入物61、62的一般截面形状。通常，换能器的截面形状可以为具有至少一个对称轴线的封闭的凸曲线。在图6A中，换能器插入物的截面是圆形61，然而在图6B中，换能器插入物的截面为卵形62。可以预想其它形状诸如椭圆形、超椭圆形、透镜形状等。通常，换能器自身是圆形的。然而也可选择与圆形不同的截面形状，例如为了流动的原因，即提供更符合流体动力学形状的换能器插入物。

图7示意性示出了与图2和5的杯50类似的杯的底部的截面形状70，该杯在与用于发射和接收超声波信号的换能器表面垂直的平面内具有换能器插入物的一般截面形状。

在图7A中，耦合表面是直的或平的，同时表面与流动管道的中心轴线平行。在图7B中，耦合表面朝向流动管道的中心弯曲。耦合表面指向中心轴线略微凸起。直的耦合表面确保穿过耦合表面的超声波路径长度沿整个表面是相同的，然而略微凸起的耦合表面增强了从信号路径中去除气泡的效果。对于聚合物耦合表面，略微凸起的形状不会极大地影响信号。略微凸起的形状是具有在表面边缘和表面中心之间的仅仅几个毫米的高度差的弯曲表面，例如小于2.5mm，或者甚至小于1mm，或者甚至小于0.5mm。

图8示出了与图7类似的截面形状70，然而在其各个实施例中，截面形状沿着换能器插入物的深度32改变。

在图8A中，换能器插入物的侧面在顶部朝着耦合表面71是锥形的。在图8B中，换能器插入物的侧面沿着整个深度是锥形的。在图8C中，换能器插入物的侧面是阶梯状的。阶梯可为密封装置提供座，诸如O形环座，参见图5的附图标记52。这些阶梯还可能与某一点处的整个截面的变化相关。例如，朝向杯底部的截面形状可以是圆形的从而为O形环提供最佳的座，然而朝向流动管道中心的截面形状可以是椭圆形或透镜形的以提供改善的流体动力学形状。

图6-8中示出的形状仅仅意于作为可能的形状的示例，在本发明的范围内其它的和更多的形状是可能的。此外，所示出的形状和其它的形状可以在本发明范围内进行任意方式组合。

图6-8的换能器插入物的形状被示出用于图2和5的实施例。然而，相同形状的想法加以必要的修正对于其它实施例是有效的。

在示出的实施例中，示出了形成换能器对的两个换能器。通常可以出现更多传感器，典型地是成对的，例如四个换能器，六个换能器等等。如果多于两个换能器的话，根据本发明的各实施例，两个或多个换能器插入物可以被与壳体底部整体地形成。

尽管本发明已经结合特定实施例做了说明，然而不应该解释为以任何方式限定到所呈现的示例。本发明可以由任意合适的手段实施；并且本发明的范围按照附加的权利要求集来解释。权利要求中的任意参考符号不应解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种配置为测量液体流量的超声波流量计，该流量计包括：

·贯通的流动管道(2)，配置为用于入口(3)和出口(4)之间液体的通道，该流动管道限定了入口和出口之间的中心轴线(10)，该流动管道或者通过流动管道自身的内壁(6)，或者通过插入流动管道中的测量插入物的内壁(7)或者通过流动管道和测量插入物(5)的内壁(6，7)的组合限定了流动通道；

·用于液密地安装在流动管道上的壳体(50)，该壳体包括两个或多个超声波换能器(8)和配置为用于操作换能器并且用于产生表示液体流率的信号或数值的控制电路；

·每个换能器包括用于发射和接收超声波信号的表面，该表面限定了表面法线(11)，并且其中该换能器被布置成使得表面法线垂直于中心轴线；

其特征在于，该壳体还包括作为壳体底部的一部分被与壳体整体地形成的两个或多个换能器插入物，所述两个或多个换能器被布置在换能器插入物(20)中，并且其中每个换能器插入物包括与所述换能器插入物整体地形成的、以平面平行的方式被布置以便覆盖换能器表面的耦合表面(15)；以及

其中所述壳体被安装在所述流动管道上使得换能器插入物通过流动管道中的单独匹配的开口插入以便以如下方式延伸至流动通道中：使得所述中心轴线(10)和所述耦合表面(15)之间的距离(21)小于所述中心轴线和所述内壁(6，7)内部截面上相应的点之间的距离(22)，从而流动管道中液体内的气泡不会在耦合表面停留，所述耦合表面在垂直于用于发射和接收超声波信号的换能器表面的平面中的截面形状(80)与所述中心轴线平行。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中所述中心轴线和所述耦合表面之间的距离比所述中心轴线和所述内壁的内部截面上的相应的点之间的距离至少小1mm。

3.根据前述任一权利要求所述的超声波流量计，其中所述中心轴线和所述耦合表面之间的距离小于所述中心轴线和在毗邻并围绕流动管道中的开口边缘的延伸区域(33)中的所述内壁之间的距离，该延伸区域至少为0.5mm宽。

4.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述流量计包括用于将超声波信号从发射换能器经过流动管道指引到接收换能器的测量插入物(5)，并且其中在换能器插入物(20)被安装在流动管道(2)上时，所述换能器插入物的至少之一的边缘至少在与所述中心轴线平行的一个方向上锁定所述测量插入物。

5.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述换能器插入物在与用于发射和接收超声波信号的换能器表面平行的平面中的截面形状(71，72)是具有至少一个对称轴线的封闭的凸曲线。

6.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述换能器插入物在垂直于用于发射和接收超声波信号的换能器表面的平面中的截面形状(80)沿着换能器插入物的深度而变化。

7.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述壳体由聚合物材料制成。

8.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述壳体在单一过程中被浇注而成。

9.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述壳体形成仅具有单一开口的壳罩。

10.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述流量计是水表，热量表和/或冷量表。