CN104236607A - 用于确定介质特性的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定介质特性的装置，具有：中空体，其容纳介质；以及壳体，其四周地围绕中空体。中空体的壁的至少一部分构建成用于声学表面波的波导管，其形成与介质的界面。提供用于激发波导管中的声波的至少一个发射器以及用于接收来自波导管的声波的至少一个接收器，其相互间隔布置，其中，发射器和接收器直接接触波导管的外表面，且其中，发射器与接收器之间的距离这样选择，即，通过发射器激发的声波可至少部分地在延伸通过介质的路径上传播。提供一个触点座架，在其上布置发射器和/或接收器。在波导管与触点座架之间形成连续的空隙。中空体、触点座架和壳体之间的空间填充有填充物。

Description

用于确定介质特性的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定介质特性的装置。

背景技术

对介质的确定特性的测量可通过使用声波而实现。对于例如在WO2008/034878A2或WO2010/136350A1中描述的测量方法，所述介质直接接触声波导管。在该波导管中激发声学表面波，其中，表面波的类型和频率这样选择，即，实现部分耦合输出进入介质。在此，在波导管中的声学表面波的部分作为纵向容积声波耦合进入该介质。所述声波通过该介质，且这样地在邻接介质的面上反射，即，其再次碰到波导管。在此，容积声波的部分再次作为声学表面波耦合进入波导管，且在其中进一步传播。通过该方式，在声学接收器上获得特征信号，该接收器与发射器间隔地布置在波导管上，该信号的包括相对于由发射器发出的信号的时间延迟在内的时间强度曲线允许推导所述介质的特征特性，例如声速、温度、均匀性、流速、流量、浓度或黏度。

该测量方法特别适用于流体的介质，也用于均匀或不均匀的高粘性、膏状或糊状的介质，包括生物样品。也可考虑用于气态介质。当介质流动通过所述装置时，也可检测到介质的时间变化。

容积声波在介质中的空间传播例如通过下述方式获得，即，容积声波以相对于波导管的面法线的角度δ耦合输出进入介质。关系可通过下述公式描述：

$\mathrm{\δ}=\arcsin \left(\frac{c_M}{c_S}\right),$

其中，c_M是容积声波在介质内的声速，以及c_S是沿着波导管传播的声学表面波的声速。

在最常见的情况下在介质中的声速小于波导管中的表面波的声速，声波以不同于0的角度耦合输出，且容积声波可能在介质内以多倍反射的情况下经过沿着波导管的空间距离。

在已知的装置中，发射器和接收器固定在波导管的具有与介质侧相对的界面中的一个上。为可以将在波导管的该侧上激发的表面声波耦合进入介质，在此优选激发蓝姆波，即，波长基本上长于发射器与介质之间的波导管的厚度的波。在此情况下，波导管的上侧以及下侧发生运动，其中，振动也具有纵向分量。在此，这种类型的激发适用于容积声波的耦合输出。也可能的是，在波导管的厚度的量级上选择所激发的声学表面波的波长，其中，激发在蓝姆波与瑞利波之间的过渡区域中的表面波。

迄今在现有技术中描述的、根据上述原理工作的装置结构复杂且制造成本高。

发明内容

在此，本发明的目的在于，提供一种结构简单且容易制造的用于通过激发表面声波而确定介质特性的装置。

根据本发明，在用于确定介质特性的装置中，该目的通过容纳介质的优选圆柱形中空体实现，其中，中空体的壁的至少一部分构建成用于声学表面波的波导管，其形成与介质的界面。提供用于激发波导管中的声波的至少一个发射器以及用于接收来自波导管的声波的至少一个接收器，其相互间隔布置，其中，发射器和接收器直接接触波导管的外表面。发射器与接收器之间的距离这样选择，即，通过发射器激发的声波可至少部分地在延伸通过介质的路径上传播。提供至少一个触点座架，在其上布置发射器和/或接收器，其中，在波导管与触点座架之间形成连续的空隙。该装置具有壳体，该壳体四周地围绕中空体。中空体、触点座架和壳体之间的空间填充有填充物。

所述空隙优选向外地被完全封闭和密封。

触点座架优选通过已经预装的发射器和接收器可简单地在外部固定在特别为管状的波导管上。发射器与接收器之间的距离可通过触点座架精确预定。壳体必须仅围绕中空体放置，且填充有填充物。整体上，装置可由几个单元部分构成，且不需要很高成本制造，其中，尽管如此，特别可在发射器和接收器的定位方面实现高精确度。

代替唯一的触点座架，也可以提供多个触点座架，其一起覆盖空隙。

即使优选地发射器和接收器布置在唯一的空隙的区域中，可替选地在空隙的区域中仅提供发射器或仅提供接收器，而配合件(发射器或接收器)位于中空体的另一位置，例如位于另一由触点座架覆盖的空隙之下。

有利的是，填充物由下述材料构成，即，该材料吸收由发射器激发的声波，特别吸收声学表面波。优选地，基本上所有声学表面波在中空体中被吸收，该声学表面波不在区域中直接径向向内于空隙，即，位于内部地延伸，且因此声学表面波远离该区域的传播直接在空隙之下被阻止。在此，由于存在填充物，也可任意抑制声学表面声波从碰到由介质构成的中空体的容积声波中的耦合输出，使得这样的耦合输出基本上仅在中空体直接位于空隙之下的区域中出现。在此情况下，波导管将仅由发射器和接收器之间的中空体的壁的一部分直接限定在空隙之下。

优选地，填充物的厚度明显大于波导管的厚度，使得表面波在波导管部非直接径向向内于空隙的区域之外可很好地被吸收。

优选地，空隙一方面用于，通过将触点座架置于波导管上而不歪曲测量，然而另一方面也用于，将波导管基本上在触点座架内侧明显限定在发射器和接收器之间。

特别地，在第二种情况下有利的是，圆柱形中空体在空隙之外、至少在触点座架的轴向长度上完全由填充物覆盖。然而优选地，填充物轴向地被提供超过触点座架，使得填充物保护触点座架不受环境影响。

优选地，中空体、触点座架和壳体之间的空间除了空隙以外完全由填充物填充。

例如，环氧树脂或聚氨酯可作为填充物。然而，例如可也使用油或沙。对中空体与壳体之间的空间的填充可通过任意合适的方式实现，特别通过浇注。

优选地，触点座架布置在空腔的纵向方向上，使得发射器和接收器在纵向方向上相互间隔。若中空体是圆柱形管，则触点座架不必跟随该管的弯曲，而是沿着直线放置。当介质流动通过中空体或流经波导管时，发射器和接收器之间的直线优选平行于流动方向。

优选地，触点座架和空隙是条形的，以及其纵向延伸大于其宽度。也对应于波导管的最小长度的发射器和接收器之间的纵向延伸长度在此选择成，使得在介质中传播的容积声波通过波导管的内表面在多个相互间隔的位置上相互作用，其中，在所述位置的每个上可实现声学表面波的耦合输出。

有利地，触点座架自身通过电路板形成，因为通过这种方式，发射器或接收器的必要电接触可简单且低成本地实现。

为使得其他测量方法成为可能，或也为了改进测量结果的精度，由触点座架、发射器和接收器构成的多个组件可在中空体的周围分布地布置。优选地，所述组件轴向布置在相同的高度上，其中特别地，发射器和接收器分别轴向布置在同一高度上。

理论上可设想地，在发射器和接收器之间的触点座架上布置至少另一接收器，从而能够特别更好地检测信号运行时间的不同。还可能的是，将发射器放置在触点座架的中间，且在触点座架的两端上提供接收器，这将简化对介质流速的测量。

在各种情况下可有利的是，发射器和接收器这样构建，即，其功能可互换，即，发射器也可作为接收器，和/或接收器也可作为发射器。

优选地，发射器和接收器这样设计，即，可激发单一的、时间上错开的波脉冲，且其在接收时可在时间上分解。优选地，至少测量信号的强度、频率和/或运行时间延迟。

优选地，发射器和/或接收器以压电的方式工作，其特别可具有压电叉指转换器。发射器和/或接收器也可分别具有带有叉指电极的压电转换器。

与之相反，波导管或整个中空体有利由非压电材料构成。此外优选地，波导管在其整个延伸上均匀地由单一材料构成。波导管的材料优选是金属，特别是不锈钢，或塑料，特别是聚醚醚酮(PEEK)或聚甲醛(POM)。

优选地，中空体是单壁管，其在横剖面中特别是圆柱形的，在其中容纳介质。

优选地，所述管是导管的一部分，使得在该导管中流动的介质在流经时被测量。

有利地，波导管是中空体的单体部分，且由中空体的壁部分形成，其可与中空体的其他部分例如在其外和/或内表面的几何结构上不同。因此可能的是，部分地(abschnittsweise)改变表面的形状以及中空体的、任选地波导管的厚度，从而在表面波的传播中有目的地引起不同。

在此，波导管的厚度定义为中空体的内表面与外表面之间的、特别在空隙的区域中垂直于在该区域中的中空体的面法线测量的距离。该厚度(且由此中空体的壁厚)应选择成，使得所激发的表面波沿着波导管的两个表面传播。

有利地，中空体的壁厚在作为波导管的整个区域上是相同的。当多个发射器和/或接收器被置于波导管的表面上时，这也是有利的，因为所有声学表面波在相同的条件下在波导管上传播。

在触点座架内测，形成波导管的中空体表面构建成平的，使得空隙的边界由削平部形成。该设计简化了对空隙的密封。此外，通过对中空体的表面的冲刷，特别在圆柱形管的情况下，可影响所激发的表面波的传播行为、激发行为、频率和波长。

有利地，空隙完全构建在波导管、触点座架和发射器和接收器之间，不需要其他部件。

为了简化触点座架在中空体上的固定以及对空隙的密封，触点座架可具有纵向延伸的凹部，其中，空隙优选限制在凹部的区域上。凹部例如由触点座架中的纵向槽形成，其朝向中空体，且与中空体一起限制空隙。这样的纵向槽例如可特别通过铣削电路板简单且低成本地制造。

触点座架限制纵向槽的边缘可以黏贴在中空体上。

有利地，发射器和接收器分别固定在触点座架的端部上，其在一优选实施方式中封闭纵向槽的且因此空隙的长侧端。

若使用多个触点座架，且分别仅连接发射器或接收器，则纵向槽不必在触点座架的整个长度上延伸。

发射器和接收器与触点座架例如通过可导电的粘合材料粘合，这简化了接触。

由触点座架、发射器和接收器构成的组件可简单地预制，且作为整体固定在波导管上。

优选地，在固定时将发射器和接收器粘接在波导管上，即，粘接在中空体上，特别通过可导声的粘合材料粘接，因为发射器或接收器与中空体之间的良好声学耦合是重要的。

替选地，可首先将发射器或接收器粘接在中空体上，然后安装触点座架，优选同样通过粘接。

有利地，触点座架粘接在中空体上，即，粘接在波导管，特别同样通过可导电的粘合材料，使得由触点座架、发射器和接收器构成的整个组件可通过中空体接地。优选地，粘合材料沿着纵向槽的整个侧向纵向边缘布置。该粘接也可用于侧向密封空隙。

固定在触点座架上的插头简化了发射器和接收器的用于提供电能和传输数据的电接触。优选地，插头在触点座架的固定通过焊接实现。

数据可通过控制和分析单元传输至发射器，以及从接收器传输出。控制和分析单元可集成在所述装置中，或与其分开布置。

控制和分析单元可简单地放置在壳体中，其中，插在插头上的线缆可引导至控制和分析单元。该线缆是通过填充物可固定的，其中，例如在填充中空体与壳体之间的空间时被注入。通过该方式，线缆与插头之间的连接以及插头自身得到很好的保护，免受过度的作用力影响。

对接收器的信号进行分析可完全在装置的控制和分析单元中实现。

控制和分析单元的数据可显示在布置在壳体的显示器上。也可能的是，将另一电子单元与线缆连接，或提供无线电模块，其将数据以无线的方式传输到另一电子单元上。

中空体可以是流体系统的一部分。特别对于该情况，有利的是，中空体具有用于与流体系统进行流体连接的端侧固定部。端侧固定部可构建成法兰的形式，这允许所述装置简单地集成进入现有的流体系统。

除了流体连接，不必在中空体中提供其他开口，使得所述装置不必相对于介质而被密封。因此也可通过简单的方式在所述装置中测量攻击性或敏感性的介质。

优选地，以中空体为中心地布置壳体。与介质没有接触。

可能的是，壳体仅通过填充物固定在中空体上，而不需使用额外的固定措施。然而额外于填充物，壳体也可通过粘接、焊接、熔接或其他合适的固定方式与中空体连接。

优选地，壳体具有管形部，其在中空体上移动。替选地，壳体例如可以是多部分的，例如由两个外壳构成，其围绕中空体装配。

当中空体具有用于布置在流体系统中的固定措施，特别具有法兰时，其有利地在将壳体围绕中空体放置之后或在填充中间空间之后被置于中空体上。这例如可通过焊接法兰件或通过中空体的端部形变而出现。

根据本发明的装置的测量原理基于，发射器在波导管中激发声学表面波，其一方面沿着波导管传播，且另一方面其能量的一部分在与发射器相对的波导管的表面上作为容积声波耦合输出进入介质。容积声波通过该介质在中空体的对置壁上反射且因此返回至波导管。在此，容积声波的能量的一部分再次转换，且作为声学表面声波耦合返回进入波导管。该过程可在波导管的多个位置上实现，因为由于耦合输出角与声速情况之间的关系，通过沿着波导管定向的分量(Komponente)实现容积声波的传播。

若波导管的厚度明显小于声学表面波的波长，所激发的蓝姆波的幅度在波导管的两个表面上基本上相同。相反，若波导管的厚度与声学表面波的波长在同一量级上，则表面波的幅度在其上激发表面波的表面与相对置的表面之间通常是不同的。然而在这两种情况下可能的是，耦合输出纵向容积声波，因为表面声波在两个表面上也分别具有纵向分量。

接收器仅接收沿着波导管达到那里的表面声波，或也接收下述容积声波，即，其被进一步引导通过直接位于接收器以下的波导管的区域至接收器。可根据所接收的信号强度的时间曲线推导中空体内的介质的特性。

当通过发射器以单一波脉冲形式实现对表面声波的激发时，以下述方式选择两个波脉冲之间的时间间隔是有利的，即，在释放下一个脉冲之前，直接的表面波以及所有可检测的容积声波已经到达接收器。表面波与容积声波之间的不同运行时间以及针对不同的传播路径的脉冲的强度曲线允许推导介质的特性。

附图说明

下文中结合附图根据实施例进一步描述本发明。附图中：

图1示出根据本发明的装置的示意性纵剖面；

图2示出图1所示的装置的以圆形标记的部分的放大图；

图3示出图1所示的装置在触点座架的高度上的示意性纵剖面；

图4示出图1所示的装置在发射器及接收器区域中的示意性横剖面；

图5示出图1所示的装置在空隙区域中的示意性横剖面；

图6示出由用于根据本发明的装置的触点座架、发射器以及接收器构成的组件的示意图；以及

图7和图8示出在根据本发明的装置的情况下的控制单元的可能布置。

具体实施方式

图1示出用于确定介质M的特性的装置10的剖视面，该介质位于管形的中空体12中，且流动通过该中空体。

在中空体12的径向外表面14上布置组件16，其具有触点座架18、压电发射器20以及压电接收器22。

发射器20和接收器22在此可这样构建，即，其也可分别以另一功能运行，即，发射器20作为接收器，以及接收器22作为发射器。

中空体12的径向内表面24形成与介质M的界面。

在该情况下，中空体12是不锈钢管，特别当其与同样由金属管构成的流体系统连接时，其以简单的方式也作为用于电子部件的接地。

壳体26以中空体12为中心地进行围绕。中空体12的外表面14与壳体26的内表面之间的空间填充有填充物28，其在该实例中硬化成刚性固体。填充物28例如可以是聚氨酯或环氧树脂。

在触点座架18的区域中，中空体12的外表面14被削平，例如通过铣削外周的一部分。该削平部30在纵向A上延伸超过触点座架18，而其在其横向x上基本上对应于触点座架18的宽度(参见图1和3)。

电接触以及在发射器20中激发振荡信号或读取接收器22可通过布置在触点座架18上的插头32实现，线缆34被置于该插头上(参见图3)，该线缆引导至控制和分析单元36(参见图7和8)。

在该实施例中，触点座架18由电路板形成，其中，用于提供能量、控制、以及用于读取测量数据的所有电路作为导体电路被置于电路板中或电路板上。

插头32直接接触电路板上的导体电路。触点座架18在此由非压电材料构成。

发射器20和接收器22是压电转换器，其例如设置有叉指电极，其中，所述电极直接接触中空体12的外表面14。

图2示出图1中的装置10的通过圆形标记的区域的细节图。

在此可看到，触点座架18部分与中空体12的外表面14间隔地布置。在触点座架18的下侧与中空体12的外表面14之间形成空隙38。填充物28使得该空隙38空置，此外完全围绕触点座架18以及发射器20和接收器22。填充物28除空隙38外四周地完全围绕中空体12，且也在纵向A上延伸超过由触点座架18、发射器20和接收器22构成的组件16。

在图3中示出装置10在空隙38的高度上的纵剖面。可以看到，发射器20和接收器22分别直接位于削平部30中的中空体12的外表面14上。相反地，触点座架18具有纵向槽40，其在发射器20和接收器22之间的触点座架18的整个长度上延伸。触点座架18的限制纵向槽40的两个纵向边缘42连续地从发射器20延伸至接收器22。其通过可导电的耐高温粘合材料连续地在其整个长度上与中空体12在削平部30的区域中固定连接(参见图6)。

发射器20和接收器22可在纵向A上延伸超过削平部30。

在此，中空体12在两个轴向端上具有端侧固定部50，用于流体连接未详细描述的流体系统。

图4和5示出装置10在发射器20(或接收器22)的区域中的、以及在空隙38的区域中的横剖面。对于在此示出的示例，在中空体12的四周上分别构建两个削平部30，其在此非直接径向对置，其中，这也可以是有利的。在削平部30的每个上布置组件16。由触点座架18、发射器20和接收器22构成的各组件16相同地构建，且分别以相同的轴向位置固定在中空体12。

当然，也可在中空体12上仅提供唯一的组件16或多于两个的组件16。

由一个组件16的发射器20发出的表面波也可由另一组件16的接收器22获取，所述表面波至少也作为容积声波横穿介质M。

为执行对在中空体12内部中的介质M的特性的测量，直接在发射器20的电极之下的中空体12的区域中，发射器20激发声学表面波。另外，表面波沿着中空体12在至接收器22的方向上传播且在此被检测，中空体在该区域中表示波导管。由于介质M与波导管的直接界面，在中空体12的内表面24上的声学表面波的能量的一部分在与介质M的界面上耦合输出，且从此处作为容积声波以特定的传播角度传播通过介质M(参见图1)。在中空体12的相对的壁上，该容积声波在此碰到中空体12且反射。容积声波以该方式传播通过介质M。总当容积声波碰到中空体12的壁时，存在下述可能性，即，声学表面波再次耦合进入中空体12。该声波然后传播通过作为波导管的中空体12的壁至接收器22，且在此同样被检测。通过由发射器20发出的波脉冲与进入接收器22的信号之间的时间延迟以及其强度和时间曲线，可推导介质M的特性，以及浓度、黏度、声速、流速、流量、温度和均匀性。

整个中空体12可作为波导管，然而在此，基本上仅发射器20和接收器22之间的空隙38之下的削平部30中的中空体12的区域作为波导管是活泼的。可通过存在的与中空体12的其余表面接触的填充物28，和/或通过中空体12的厚度的或表面结构的由削平部30形成的几何变化影响界限。

在该示例中，触点座架18、发射器20和接收器22在固定在中空体12上之前，组合成共同的组件16。然后，该组件16作为整体粘接到中空体12中的削平部30上。特别地，触点座架18构建成一体的，然而也可由多个分开的部分组合。

图6示出分开状态下的组件16。可很好地看到，纵向槽40完全由发射器20、接收器22以及触点座架18的两个纵向边缘42限制。

在此为将发射器20和接收器22固定在中空体12上，使用良好的可导声的粘合材料39a，而纵向边缘42通过可导电的粘合材料39b与中空体12粘接。已知的可导电以及可导声的粘合材料可作为所述粘合材料。

从触点座架18的短正面分别突出两个接触销46进入触点座架18的延长部，其用于固定发射器20以及接收器22。

在形成触点座架18的电路板上已经构建了导体电路，其用于提供能量以及将信号通过接触销46传导至发射器20和传导至接收器22。

发射器20和接收器22通过可导电的粘合材料粘接至接触销46，且以下述方式定位，即，其在正面封闭纵向槽40。

在一变型中，如在图7中所示的，控制和分析单元36容纳在装置10的壳体中。在此可涉及额外的壳体48，这然而也可通过壳体26的部分形成。

在图8所示的另一变型中，控制和分析单元36布置在壳体26之外，且布置在任意的、围绕该壳体的另一壳体48之外，其中，线缆34从壳体26以及48中引出。代替连接线缆，在此也可以存在用于外部控制和分析单元36的无线电连接。

Claims (13)

1.一种用于确定介质(M)特性的装置，具有：

中空体(12)，其用于容纳介质(M)；以及

壳体(26)，其四周地围绕中空体(12)，其中，中空体(12)的壁的至少一部分构建成用于声学表面波的波导管，其形成与介质(M)的界面，且提供用于激发波导管中的声波的至少一个发射器(20)以及用于接收来自波导管的声波的至少一个接收器(22)，其相互间隔布置，其中，发射器(20)和接收器(22)直接接触波导管的外表面(14)，且其中，发射器(20)与接收器(22)之间的距离这样选择，即，通过发射器(20)激发的声波可至少部分地在延伸通过介质(M)的路径上传播；以及

至少一个触点座架(18)，在其上布置发射器(20)和/或接收器(22)，

其中，在波导管与触点座架(18)之间形成连续的空隙(38)，

且在中空体(12)、触点座架(18)和壳体(26)之间的空间填充有填充物(28)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，填充物(28)由吸收通过发射器(20)激发的声波的材料构成。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，触点座架(18)由电路板形成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，由触点座架(18)、发射器(20)以及接收器(22)构成的多个组件(16)在中空体(12)的周围分布地布置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在中空体(12)的表面(14)中径向向内于空隙(38)形成削平部(30)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，触点座架(18)具有纵向槽(40)，其朝着中空体(12)，且与中空体(12)一起限制空隙(38)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，限制纵向槽(40)的纵向边缘(42)黏结在中空体(12)上，特别通过可导电的粘合材料。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的装置，其特征在于，发射器(20)和接收器(22)封闭纵向槽(40)和空隙(38)的长侧端。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，发射器(20)和/或接收器(22)与触点座架(18)粘结，特别通过可导电和/或导声的粘合材料。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，预制由触点座架(18)、发射器(20)和/或接收器(22)构成的组件(16)，且整体固定在中空体(12)上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，触点座架(18)粘结在波导管上，特别通过可导电的粘合材料。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，插头(32)固定在触点座架上，特别通过焊接，用于接触发射器(20)和/或接收器(22)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，中空体(12)具有端侧固定部(50)，用于与流体系统流体连接。