CN107206428B - 用于制造自动化技术现场设备的声音换能器的方法 - Google Patents

用于制造自动化技术现场设备的声音换能器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产超声换能器(1)的方法，该方法具有如下方法步骤：提供加大尺寸的传感器本体(2)；经由机电换能器(3)激励声波；确定声波在所述传感器本体(2)的出射表面(6)上的当前传播速度，或者确定所述出射表面(6)的法线与声波在介质(8)中的传播方向之间的当前角度；确定声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度与期望传播速度之差，或者确定所述出射表面(6)的法线与声波在所述介质(8)中的传播方向之间的当前角度与限定的期望角度之差；确定在所述传感器本体(2)中的声速与期望声速之差；去除所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)的区域中的材料(5)，其中，剩余材料被定尺寸使得声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度和/或由在所述传感器本体(2)中的声速引起的延迟与在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的声波的期望传播速度至少近似匹配，或者使得所述出射表面(6)的法线与声波的传播方向之间的当前角度与在所述出射表面(6)的法线与声波在所述介质(8)中的传播方向之间的限定的期望角度至少近似匹配。

Description

用于制造自动化技术现场设备的声音换能器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造自动化技术现场设备的声音换能器的方法，其中，所述声音换能器包括传感器本体——也称作引入元件——以及经由至少一个适配层而布置在传感器本体的外表面上的机电换能器，其中，由所述机电换能器产生的声波在穿过所述传感器本体之后以限定的期望传播速度在所述传感器本体的出射表面上传播，或者其中，由所述机电换能器产生的声波以在所述出射表面的垂线与传播方向之间的限定的期望角度在邻接所述出射表面的介质内传播。优选地，对应的超声传感器被应用于非接触地确定管道中介质的体积流量和/或质量流量的流量测量设备中，或者应用于无损检测设备(NDT)中，由此应用于在不破坏测试对象的情况下工作的检测设备中。
背景技术
本申请人的超声流量测量设备根据行进时间差原理来工作。在这种情况下，评估超声测量信号在介质的流动方向以及与流动方向相反的方向上的不同行进时间。为此，由超声换能器交替地在介质的流动方向以及与流动方向相反的方向上发送和接收超声测量信号。从超声测量信号的行进时间差能够确定流速，以此在已知管道直径的情况下能够确定体积流量，并且在已知或已测得介质密度的情况下能够确定质量流量。
就测量设备的类型而言，存在插入管道内的超声流量测量设备以及夹合式流量测量设备，在夹合式流量测量设备的情况下，借助夹紧机构将超声换能器在外部压至管道上。
在这两种类型的超声流量测量设备的情况下，将超声测量信号(即声波)以预定角度辐射到流动介质所位于的管道或测量管中和/或以预定角度从流动介质所位于的管道或测量管中接收。为了获得最优阻抗匹配，经由传感器本体，即耦合元件，将超声测量信号耦合进管道内或从管道中耦合出。超声换能器的主要部件是至少一个机电换能器，例如，压电元件，其产生和/或接收超声测量信号。所述机电元件与所述传感器本体平齐地连接。优选地，经由粘接层进行连接。
为了能够以限定的角度将声束传送至介质内，所述传感器本体(即耦合元件)具有限定的角度。该角度能够基于斯涅耳折射定律来确定：
其中，具有下列定义：
αM：介质中从法线到界面的角度；
αSB：传感器本体中从法线到声波的出射表面的角度。优选地，该角度在本申请人的超声流量测量设备的情况下为38°；
cSB：声音在传感器本体中的速度；
cM：声音在介质中的速度。
为在超声传感器的情况下获得期望测量精度，所述超声传感器的材料的几何性质方面的容差以及声学性质方面的容差都需保持在狭窄的范围内。在常规制造条件的情况下，典型的夹合式超声流量测量设备具有约2％的测量容差。几何性质中的容差起因于角度误差或者机电换能器与传感器本体之间的平齐连接的波动。几何性质中的波动通常是由于制造者所执行的制造过程。声学性质中的容差波动可能归因于传感器本体和适配层的材料成分中的偏差。这些状况特别是发生在从批次到批次之间。此外，由用户存储在夹合式设备的存储器中的介质的参数——乃至测量管的参数——能够影响流量测量的测量精度。
为了获得更高的测量精度，制造商有时会将超声传感器分成多个质量等级并且确定各组的对应校正因子。在稍后以电子方式修改测量设备中的测量值的应用中利用到这些校正因子。然而，实践总是与理论存在差距，这样就无法完全实现校正。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于校正各个超声传感器之间的容差的方法。
本发明的上述目的通过包括以下步骤的方法来达成：
·提供加大尺寸的传感器本体；
·经由机电换能器激励声波；
·确定声波在传感器本体的出射表面上的当前传播速度，或者确定出射表面的垂线与声波在介质中的传播方向之间的当前角度；
·确定声波在传感器本体的出射表面上的当前传播速度与期望传播速度之差，或者确定在出射表面的垂线与声波在介质中的传播方向之间的当前角度与限定的期望角度之差；
·确定声音在传感器本体中的当前速度与期望声速之差；
·去除传感器本体的出射表面的区域中的材料，其中，剩余材料被定尺寸使得声波在传感器本体的出射表面上的当前传播速度和/或由在传感器本体中的声速引起的延迟与声波在传感器本体的出射表面上的期望传播速度至少近似一致，或者出射表面的垂线与传播方向之间的当前角度与出射表面的垂线与声波在介质中的传播方向之间的限定的期望角度至少近似一致。因此，沿传感器本体的中心轴线去除材料，直至达到在传感器本体中的所需行进时间。
利用本发明的方法，能够从一开始就排除所有影响测量精度的与预定的期望值的偏差。包含根据本发明的方法制造的超声传感器的设备的测量误差的特征在于与常规超声传感器相比更小且很大程度上恒定的值。能够防止各个超声传感器之间的测量精度的波动。特别地，能够减少制造者对用于生产超声传感器的制造方法的要求，这是一种导致制造成本较低的特征。
在本发明的方法的一种有利实施例中，基于所述期望声速，预定声波在所述传感器本体中的期望行进时间，其中，剩余材料被定尺寸使得当前行进时间与预定的声波在所述传感器本体中的期望行进时间至少近似一致。对于在根据行进时间差方法工作的流量测量设备的情况下使用所述超声换能器，这一点极为重要。
特别是在这一点上，本发明提出，预定声波在所述传感器本体中的期望行进时间，其中，使所述机电换能器沿传感器本体的所述外表面移位，直至当前行进时间与声音信号在所述传感器本体中的预定的期望行进时间至少近似一致。由图1显而易见，所述机电换能器沿侧表面的移位能够改变声波通过所述传感器本体的距离。该实施例由此将材料的去除限于所述传感器本体的角度的调配。
本发明的方法的一种有利实施例提出，光学地确定声波在所述传感器本体的所述出射表面上的当前传播速度，特别是经由干涉仪。替选地，提出经由机电换能器阵列，确定声波在所述传感器本体的所述出射表面上的当前传播速度，其中，所述阵列被定尺寸和/或被布置成使得其采样声波传播的所述出射表面的至少一部分。一种替选方案提出，经由至少一个机电换能器，确定声波在所述传感器本体的所述出射表面上的当前传播速度，其中，使所述机电换能器沿声波传播的所述出射表面的至少一部分移动。在第一种情况下，关注的是并行采样，在第二种情况下，关注的是串行采样。
在本发明的方法的另一种变型中，借助水听器，声学地确定所述出射表面的垂线与声波在所述介质中的传播方向之间的当前角度。替选地，经由机电换能器阵列，确定所述出射表面的垂线与声波在所述介质中的传播方向之间的当前角度，其中，所述阵列被定尺寸和/或被布置成使得其采样声波在所述介质中传播的角度范围的至少一部分。替选地，本发明提出，经由至少一个机电换能器，确定所述出射表面的垂线与声波在所述介质中的传播方向之间的当前角度，其中，使所述机电换能器至少在声波传播的角度范围的至少一部分中移位。
优选地，机械地去除待去除的材料。特别地，铣去和/或磨去待去除的材料。优选地，在对应算出待去除的材料、特别是要去除的材料楔之后直接进行去除过程。
如上已述，根据本发明的方法制造的超声换能器优选被使用于流量测量设备或者在不破坏测试材料的情况下工作的检测传感器，检测传感器例如应用于材料测试。
附图说明
现将基于附图更加详细地阐释本发明，在附图中：
图1是在应用本发明的方法之前的超声传感器的侧视图，
图2是根据本发明的方法所制造的超声传感器的侧视图，
图3是示出用于制造超声传感器的本发明的方法的第一优选实施例的各步骤的流程图，
图4是示出用于制造超声传感器的本发明的方法的第二优选实施例的各步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出在应用本发明的方法之前的超声传感器1的侧视图。由此示出具有加大尺寸的传感器本体或者引入元件的超声传感器1。图2示出根据本发明的方法所制造的对应超声传感器1的侧视图。
超声传感器1包括传感器本体2或者引入元件。传感器本体2有时也称为耦合元件。经由适配层4固定在传感器本体2的侧表面7上的是机电换能器3。附图标记5表示在所示的传感器本体2的情况下需去除的材料，以实现出射表面6的垂线N与声波在介质8中的传播方向之间的当前实际出射角度与期望出射角度至少近似一致。
为避免沿传感器本体2的中心轴线去除过多的材料量，而仍确保声波在传感器本体2中行进的距离最优，能够将机电换能器3沿侧表面7移位到适当的位置。在适当的位置中，声音在传感器本体2中的当前实际速度至少近似对应于期望声速。在这一正确的位置中，经由适配层4实现机电换能器3与传感器本体2的平齐连接。
另外，确定声波在传感器本体2的出射表面6上的当前传播速度。替选地，确定出射表面6的垂线N与声波在介质8中的传播方向之间的当前角度。然后，确定声波在传感器本体2的出射表面6上的当前传播速度与期望传播速度之差，或者确定在限定的出射表面6的垂线N与声波在介质8中的传播方向之间的当前角度与期望角度之差。
在传感器本体2的出射表面6的区域内磨去或铣去的材料5被定尺寸使得声波在传感器本体2的出射表面6上的当前传播速度和/或由在传感器本体2中的声速引起的延迟与声波在传感器本体2的出射表面6上的期望传播速度至少近似一致。替选地，通过这种方式进行材料5的去除，使得出射表面6的垂线N与传播方向之间的当前角度与限定的出射表面6的垂线与声波在介质8中的传播方向之间的限定的期望角度至少近似一致。在图1和图2中，采用附图标记9表示在未根据本发明制造加大尺寸的传感器本体2的情况下的原始声束，即原始声波。在图2中，采用附图标记10表示经由本发明的方法校正后的“经校正”出射表面6上出现的声波或声束。如图2所示，借助本发明的方法，能够适当地修改声束在出射表面8上相对于法线N的出射角度。本发明的方法能够提高超声流量测量设备的测量精度，因为由于材料的声学性质和/或几何性质中的容差而在各个超声传感器1之间出现的波动被补偿或消除。
图3示出说明用于制造超声传感器1的本发明的方法的第一优选实施例的各步骤的流程图。在点10开始之后，在点20，提供具有安装在侧表面7上的机电换能器的加大尺寸的传感器本体2。然后，在点30，经由至少一个电子信号，以限定的频率激励至少一个声波。
在点40，确定声波在传感器本体2的出射表面6上的实际传播速度。为此，优选地，应用上述方法之一。在点50，确定声波在出射表面6上的实际传播速度与期望传播速度之差。在点60，确定声波在传感器本体2中的当前声速与期望声速之差。优选地，经由时间测量实施这种测量。如果声波在出射表面6上的实际传播速度与期望传播速度之差大于容许极限值，则在点80，去除出射表面6的区域内的材料，直至实际传播速度与期望传播速度相等。在点90，用于高度优化制造的传感器本体2的制造过程结束。
图4示出说明用于制造超声传感器1的本发明的方法的第二优选实施例的各步骤的流程图。在点11开始之后，在点21，提供具有安装在侧表面7上的机电换能器的加大尺寸的传感器本体2。在点31，经由机电换能器3激励声波。在点41，确定出射表面6的垂线与声波在介质8中的传播方向之间的当前实际角度。为此，再一次，应用上述方法之一。特别地，借助水听器来确定角度差。在确定声波在介质8中的实际角度与期望角度之差(点51)之后，在点61，确定传感器本体2中的当前声速与传感器本体2中的期望声速之差。如果声波的实际角度与期望角度之差大于预定容许极限值(这在点71确定)，则在点81，去除出射表面6的区域内的材料，直至实际角度与期望角度相等。然后，用于制造高度精确的传感器本体2的方法在点91结束。
附图标记列表
1 超声传感器
2 传感器本体
3 机电换能器
4 适配层
5 要去除的材料
6 出射表面
7 侧表面
8 介质
9 原始声波，即原始声束
10 校正后的声波，即校正后的声束

Claims (13)

1.一种用于制造自动化技术现场设备的超声传感器(1)的方法，其中，所述超声传感器包括传感器本体(2)以及机电换能器(3)，所述机电换能器(3)经由至少一个适配层(4)布置在所述传感器本体(2)的侧表面(7)上，其中，由所述机电换能器(3)产生的声波在穿过所述传感器本体(2)之后以限定的期望传播速度在所述传感器本体(2)的出射表面(6)上传播，或者其中，由所述机电换能器(3)产生的声波以与所述出射表面(6)的垂线的成限定的期望角度传播到邻接所述出射表面(6)的介质(8)内，其中，所述方法包括如下方法步骤：
·提供加大尺寸的传感器本体(2)；
·经由所述机电换能器(3)激励声波；
·确定所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度，或者确定所述出射表面(6)的所述垂线(N)与所述声波在所述介质(8)中的传播方向之间的当前角度；
·确定所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度与期望传播速度之差，或者确定在所述出射表面(6)的所述垂线与声波在所述介质(8)中的所述传播方向之间的当前角度与限定的期望角度之差；
·确定在所述传感器本体(2)中的声速与期望声速之差；
·去除所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)的区域中的材料(5)，其中，剩余材料被定尺寸使得所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度和/或由在所述传感器本体(2)中的声速引起的延迟的当前传播速度与所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的所述期望传播速度一致，或者所述出射表面(6)的所述垂线与所述传播方向之间的所述当前角度与所述出射表面(6)的所述垂线与所述声波在所述介质(8)中的所述传播方向之间的限定的期望角度一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述期望声速预定声波在所述传感器本体(2)中的期望行进时间，其中，剩余材料被定尺寸使得当前行进时间与所述声波在所述传感器本体(2)中的预定的期望行进时间一致。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，预定所述声波在所述传感器本体(2)中的期望行进时间，其中，使所述机电换能器(3)沿所述传感器本体(2)的所述侧表面(7)移位，直至当前行进时间与所述声波在所述传感器本体(2)中的所预定的期望行进时间一致。
4.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，经由干涉仪，光学地确定所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度。
5.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，经由机电换能器阵列，确定所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度，其中，所述阵列被定尺寸和/或被布置成使得其采样其中所述声波传播的所述出射表面(6)的至少一部分。
6.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，经由至少一个机电换能器(3)确定所述声波在所述传感器本体(2)的所述出射表面(6)上的当前传播速度，其中，使所述机电换能器(3)沿其中所述声波传播的所述出射表面(6)的至少一部分移动。
7.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，借助水听器，声学地确定所述出射表面(6)的所述垂线与所述声波在所述介质(8)中的所述传播方向之间的所述当前角度。
8.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，经由机电换能器阵列确定所述出射表面(6)的所述垂线与所述声波在所述介质(8)中的所述传播方向之间的所述当前角度，其中，所述阵列被定尺寸和/或被布置成使得其采样其中所述声波在所述介质(8)中传播的角度范围的至少一部分。
9.根据权利要求1、2或3中一项所述的方法，其中，经由至少一个机电换能器确定所述出射表面(6)的所述垂线与所述声波在所述介质(8)中的所述传播方向之间的所述当前角度，其中，使所述机电换能器至少在其中所述声波传播的角度范围的至少一部分中移位。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，机械地去除待去除的所述材料(5)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，将待去除的所述材料(5)磨去。
12.一种流量测量设备，其中应用至少一个超声传感器，所述至少一个超声传感器如方法权利要求1至11中一项所述的方法来生产。
13.一种无损检测传感器，其中应用至少一个超声传感器(1)，所述至少一个超声传感器如方法权利要求1至11中一项所述的方法来生产。
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