CN107430845A - 过程测量技术的布置和现场设备 - Google Patents

Abstract

本文公开了具有纵向轴线L的、包括超声换能器和阻尼元件的布置，所述阻尼元件将所述超声换能器与外壳或测量管壁连接，其中，所述换能器具有将表面超声信号从其传递到气体或者液体介质的介质接触表面的端件，以及其中所述阻尼元件具有至少两个环状凹槽以及在两者之间布置的环状质量段。本发明的特征在于所述阻尼元件具有第一本征频率f_a，所述环状质量段在该频率执行与所述阻尼元件的纵向方向平行的轴向运动，其中在存在多个本征频率的情况下，所述第一本征频率是最高的本征频率，所述环状质量段在其执行与所述阻尼元件的纵向方向平行的轴向运动，以及所述阻尼元件具有第二本征频率f_r，所述环状质量段在该频率执行旋转运动，其中在存在多个本征频率的情况下，所述第二本征频率是最低的本征频率，所述环状质量段在其执与所述阻尼元件的所述纵向方向平行的轴向运动，并且其中所述第一本征频率f_a与所述第二本征频率f_r的比小于0.75。还公开了用于过程测量技术的现场设备。

Description

过程测量技术的布置和现场设备

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序中限定的布置，并且涉及一种过程测量技术的现场设备。

背景技术

从EP 1 340 964 B1已知一种具有滤波器元件的超声换能器的布置。这种布置包括信号辐射弯曲板，其将主体声音从其边缘馈送到滤波器元件中。以这种方式，超声信号实际上被集中在中间；然而，辐射面积是非常小的。本公布中的布置的有效总体结构附加地具有频谱，其中旋转和轴向模式彼此位于非常接近并且低于的80000Hz的频率范围(有用信号的通常频率范围)。这意旨选择针对有用信号的频率是极为有限的，或者其必须补偿由本征频率而引起的测量误差。

发明内容

从现有技术出发，本发明的目标在于在测量误差的补偿变得不必要的情况下，针对有用信号提供一种具有宽频率范围的布置。

本发明通过权利要求1中限定的设备实现该目标。

本发明的布置包括一种超声换能器和一种阻尼元件，例如，具有纵向轴线L的带通滤波器。在这方面，超声换能器不仅限于压电元件或其它超声产生元件，而是还能够包括超声信号在进入介质之前必须穿过的布置的区域。该布置区域能够包括例如一个或多个耦合层或匹配层。特别优选地，例如，金属端件能够为将超声信号从其传递到气体或液体介质中的超声换能器的部分。优选地尤其是，该金属端件与阻尼元件结合。

此外，根据本发明，阻尼元件将超声换能器与外壳或测量管壁连接。然而，管壁不是该布置的一部分。换能器包括具有介质接触表面的端件。

从这种表面，将超声信号传递到气体或液体介质中。在流量测量设备的情况下或者在填充水平测量的情况下，其能够为被测量介质，例如空气。

阻尼元件具有至少两个环状凹槽和布置在其间的环状质量段。环状质量段是环状环绕凸起。在优选实施例中，环状质量段沿其外围始终具有相同的壁厚度。

此外，根据本发明，阻尼元件具有第一本征频率f_a，环状质量段在其执行与阻尼元件平行的纵向方向的轴向运动。这还能够被称为轴向模式。在阻尼元件具有数个轴向模式的情况下，第一本征频率是最高的本征频率，环状质量段在此情况下执行与阻尼元件的纵向方向平行的轴向运动。

另外，根据本发明，阻尼元件具有第二本征频率f_r，其中环状质量段执行优选地围绕其质心的旋转运动。这还能够被称为旋转模式。在阻尼元件具有数个旋转模式的情况下，第一本征频率是最低本征频率，环状质量段在此情况下执行旋转运动。

根据本发明，第一本征频率f_a与第二本征频率f_r的比小于0.75。

这种布置使得能够在非常广的频率范围上选择有用频率。

优选实施例为从属权利要求的主题。

优选地，第一本征频率f_a与第二本征频率f_r的比小于0.55，尤其优选地小于0.4。

进一步优选地，阻尼元件在至少两个环状凹槽中的第一个中的区域中至少具有从中空圆筒形部分的外壁到纵向轴线L的第一平均间隔r₂。平均间隔涉及对环状凹槽的外围和长度取平均的间隔。因此，个别区域可能从平均值偏离。

阻尼元件在至少两个环状凹槽中第一个中的区域中至少包括从中空圆筒形部分的内壁到纵向轴线L的第二平均间隔r₁。同样地，在这种情况下，平均间隔涉及对环状凹槽的外围和长度取平均的、内壁至纵向轴线的间隔。

此外，在轴向方向中，环状质量段在两个环状凹槽之间具有特定长度l₃。该长度同样对长度和外围取平均。

这些变量在数学表达式中组合并且彼此相关。在这种情况下，当求得以下表达式

的值小于0.55，尤其优选地小于0.40时，其是优选的。用于r₁、r₂和l₃的数据以毫米为单位。

该阻尼元件的个别段的结构协调导致对布置的频谱的进一步优化。

附加优选地，中空圆筒形部分为旋转对称的。这提供了对主体声音的均匀负载和消除。

优选地，超声换能器和阻尼元件通过材料接合彼此连接。实际上，还存在对超声换能器和阻尼元件已知的螺杆变体；然而，这些变体可能在振荡足够长时松动或变形，并且通常不卫生。

进一步优选地，阻尼元件具有少于5个环状凹槽。增加环状凹槽的数量意味着增加薄弱点的危险性，这些薄弱点在受到压缩力负荷和主体声音振荡时可能故障。

优选地，至少两个环状凹槽的长度在轴向方向上长度相同，以及与两个环状凹槽中的一个的长度相比，环状质量段的长度更大，优选地是至少1.5倍。通过在大的纵向区域上提供环状质量段，主体声音能够更好地被擦除，同时在频谱中发生轴向模式和旋转模式之间更好的分离。

优选地，超声换能器末端具有弯曲板，该弯曲板具有表面，超声信号从该表面传递到介质中，该弯曲板被实施为在边缘处自由地振荡。在EP 1 340 964 B1中，弯曲板被描述为具有表面的板，超声信号从该表面辐射到介质中。与EP 1 340 964 B1形成对比，在本实施例的情况下，没有边缘通过弯曲板馈送主体声音到阻尼元件，但是，替代的是弯曲板的边缘自由地振荡。以这种方式，能够以优选方式将超声信号从大表面传递到气体或液体介质中。

优选地，该布置在如下频率范围内不具有轴向或旋转本征频率，在该频率范围中，有用频率与第一本征频率的比大于1.6，并且有用频率与第二本征频率的比小于0.7。该布置尤其是在50000Hz至120000Hz之间的区域中能够不具有轴向或旋转本征频率。

一种用于过程测量技术的本发明的现场设备，尤其是一种用于测量气体介质的超声流量测量设备包括其上布置如权利要求1所要求的装置的测量管。

可替选地，该布置还能够被应用在填充水平测量设备中，其中，在这种情况下，然而，测量管最通常被供应容器代替——例如罐或筒。

该布置还能够被用于过程测量技术领域的其它现场设备。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明：

附图示出如下：

图1示出包括超声换能器和阻尼元件的本发明的布置；

图2示出根据背景技术的布置；

图3示出图1的布置和根据图2的布置的频谱；

图4示出在有用频率的情况下，本发明的布置在激励频率下的振荡行为的表示；

图5示出在轴向模式的区域中，本发明的布置在激励频率下的振荡行为的表示；以及

图6示出在旋转模式的区域中，本发明的布置在激励频率的情况下的振荡行为的表示。

具体实施方式

本布置能够在填充水平测量设备的情况下以及流量测量设备的情况下被应用。然而，在下文中，将会主要描述用于超声流量测量设备的构造、操作和由此产生的优点。然而，参数大部分还能够被传递到超声填充水平测量。

超声流量测量设备广泛被应用到过程和自动化技术中。它们允许简单地确定管线中的被测介质的体积流量和/或质量流量。已知超声流量测量设备通常根据行程时间差原理工作。在行程时间差原理中，相对于液体的流动方向评估超声(尤其是超声脉冲)的所谓的脉冲串的不同行程时间。为此，将超声脉冲对于管轴线以特定角度顺流以及逆流发送。从行程时间差，能够确定流速，并且因此，在已知管线段的直径的情况下，能够确定体积流量。

在所谓的超声换能器的帮助下产生和接收超声波。为此，超声换能器与相关管线段的管壁牢固地连接。这种装置类型对本领域技术人员还被称为内联式流量测量设备。还存在夹持式超声流量测量系统，其被外部地放置，例如被固定在测量管上。夹持式超声流量测量设备不是本发明的主旨。

超声换能器通常包括例如一个或多个压电元件的机电换能器元件。

在夹持式系统的情况下以及内联式系统的情况下，超声换能器被布置在测量管上的共享平面中，其在测量管的相对的两侧上，在这种情况下，声学信号投射在管横截面上、沿着通过测量管的割线行进一次；或者其在测量管的相同侧上，在这种情况下，声学信号在测量管的相对一侧上被反射，由此，声学信号通过测量管、沿着投射在横截面上的割线穿过两次。

在图1的实施例的具体示例中，具有相对应超声换能器1的布置被实施为具有一个在另一个上布置的两个机电换能器元件2，尤其是两个压电元件。超声换能器1附加地包括具有介质接触表面5的端件4。在该表面5处，由一个或多个机电换能器元件2产生的超声波被传递到被测量介质。

图1中示出的端件4包括与机电换能器元件2接触，尤其是互锁形状接触的基座6。此外，端件4包括具有介质接触表面5的弯曲板7。

端件4的基座6包括到阻尼元件15的接口16。该阻尼元件15被实施为具有彼此平行延伸的至少两个环状凹槽10和12的圆筒形主体。接口16能够被实现为例如焊接连接。

在接口16和两个环状凹槽中的第一个环状凹槽10之间布置有第一环状质量段9，其具有比环状凹槽10更厚，尤其是至少两倍厚，的壁厚。

在两个环状凹槽10和12之间附加地布置第二环状段11，其具有比环状凹槽10和12更厚，尤其是至少两倍厚，的壁厚。

如图1明显看出，阻尼元件15本质上由三个半径限定。存在从阻尼元件15的纵向轴线L延伸到圆筒形主体的内壁的第一半径r₁。此外，提供了第二半径r₂，其描述了在环状凹槽10、12的区域中，外壁与纵向轴线的间隔。最后，存在第三半径r₃，其描述了纵向轴线和第二环状质量段11的最外点之间的径向间隔。

在第二环状凹槽12之后，阻尼元件15在第三半径r₃区域中经由接口17与外壳壁14连接。另外在这里，接口17还能够被实施为焊接连接。在图1中接口被径向地布置在第二半径r₂的外侧和第三半径r₃的区域中。

环状凹槽10和12分别沿着纵向轴线L在长度部分l₁和l₂上延伸。在图1中，这些长度部分l₁和l₂尺寸一样大。第二环状质量段11在长度部分l₃上延伸，在图1的实施例的示例中的长度部分l₃大于部分l₁和l₂的长度。

第一环状质量段9在其径向最外点处与从接口16延伸至环状质量段9的环状段8接触。与第一状质量段9的壁厚相比，该环状段8具有更小的壁厚。优选地，该环状段8具有至少小两倍的壁厚。

环状质量段9在其径向最内点处转变成环状凹槽。以这种方式，在轴向力的情况下，这里发生了该力通过环状质量段从外部至内部的转移。

图2示出了来自如EP 1 340 964 B1例示的背景技术的阻尼元件。该阻尼元件的阻尼特征被检查并与图1的布置的阻尼特征比较。

图3示出了基于具有实线振荡频谱的频谱S1的图1的布置的阻尼行为与用于图2的布置的阻尼特征的、具有虚线的频谱S2比较。

为确定填充水平或流量需要的有用信号A-n位于频谱S1中，例如在82000Hz处。从图3能够看出，能够在相当广的区域内选择用于图1的布置的有用信号A-n的频率范围。在不需要经历有用信号A-n与阻尼元件15的本征频率A-a1、A-a2、A-r1的更大重叠的情况下，有用信号的频率范围能够处于例如从45000Hz至120000Hz的范围内。频谱S1中在28000Hz和在35000Hz处的峰值表示轴向振荡的同时，在例如136000Hz处的峰值表示旋转振荡。

相比之下，图2中的阻尼元件的频谱在缩放转换的情况下具有例如在82000Hz处叠加在有用信号上的整个系列的本征振荡。在这种情况下，25000Hz和55000Hz处的峰值表示轴向振荡B-a1和B-a2。相比之下，71000Hz和73000Hz处的峰值表示旋转振荡B-r1和B-r2。位于在图3中图示的变型的情况下的轴向以及旋转振荡二者还低于82000Hz的有用频率。

图4示出了在有用频率范围内发送和/或接收超声信号的情况下的阻尼元件的振荡行为。能够看到主要是超声换能器1，因此是机电换能器元件2和3以及具有基座6和弯曲板7的端件4正在振荡。弯曲板7在超声流量装置操作期间经受了径向偏转A1。然而，这种偏转A1没有被传递到以下的阻尼结构，但是替代的是弯曲板7自由地振荡，并且在其径向偏转中不受阻尼结构的干扰。以这种方式，所辐射的超声信号特别好并且毫无阻碍地被传递到介质。

图5示出了在本征频率A-a2(在约35000Hz处的轴向模式)的状态下、根据图1的图示实施例中的本发明的布置的振荡行为。主要地，环状质量段11在两个平行的环状凹槽10和12之间执行轴向运动。环状质量段11的往复运动以临时变薄或变厚形式导致环状凹槽10和12的区域中的临时材料壁变形。

图6示出了在本征频率A-r1(约在137000Hz处的旋转模式)的状态下、根据图1所示实施例中的本发明的布置的振荡行为。主要地，环状质量段11执行在两个平行的环状凹槽10和12之间的旋转运动。环状质量段11的振荡运动导致以材料壁的波形弯曲形式在环状凹槽10和12的区域中的临时材料壁变形。

还能够在本发明的背景下进一步修改图1中示出的实施例。因此，代替圆筒形基本结构，优选具有单一棱镜表面的棱柱形基本结构提供一种选项。此外，因此尤其是环状质量段11的基本结构的各段还能够以多边形被实施在与纵向轴线L垂直的两维截面中以多边形实现。

由于环状质量段9和11以及环状凹槽10和12的顺序，所以能够实现将一个或多个旋转模式从轴向模式去耦，使得这些个别本征频率之间的宽频率范围对有用信号是可用的。

总体而言，这种布置能够为单件或多件式构造。阻尼元件和端件是旋转对称的并且是金属的。在这种情况下，端件能够优选地为不锈钢或钛。阻尼元件优选由不锈钢构成。

附图标记

1 超声换能器

2 换能器元件

4 端件

5 表面

6 基座

7 弯曲板

8 环状段

9 环状质量段

10 环状凹槽

11 环状质量段

12 环状凹槽

13 部件

14 外壳壁

15 阻尼元件

16 接口

17 接口

L 纵向轴线

r₁ 纵向轴线至内壁的半径

r₂ 纵向轴线至外壁(环状凹槽)的半径

r₃ 纵向轴线至外壁(环状质量段)的半径

l₁ 环状凹槽的长度

l₂ 环状凹槽的长度

l₃ 环状质量段的长度

f_n 有用频率

f_a 轴向模式

f_r 旋转模式

Claims (10)

1.一种具有纵向轴线(L)的、包括超声换能器(1)和阻尼元件(15)的布置，所述阻尼元件(15)将所述超声换能器(1)与外壳或测量管壁(14)连接，其中，所述超声换能器(1)具有将超声信号从其传递到气体或液体介质中的介质接触表面(5)的端件(4)，以及其中，所述阻尼元件(15)具有至少两个环状凹槽(10、12)以及在两者之间布置的环状质量段(11)，

其特征在于：

所述阻尼元件(15)具有第一本征频率(f_a)，所述环状质量段(11)在其执行与所述阻尼元件(15)的纵向方向平行的轴向运动，

其中，在存在多个本征频率的情况下，所述第一本征频率是最高的本征频率，所述环状质量段(11)在此情况下执行与所述阻尼元件(15)的纵向方向平行的轴向运动，

以及

所述阻尼元件(15)具有第二本征频率(f_r)，所述环状质量段在其执行旋转运动；

其中，在存在多个本征频率的情况下，所述第二本征频率是最低的本征频率，所述环状质量段(11)在此情况下执行旋转运动，

以及其中，所述第一本征频率(f_a)与所述第二本征频率(f_r)的比小于0.75。

2.根据权利要求1所述的布置，其特征在于，所述第一本征频率(f_a)与所述第二本征频率(f_r)的比小于0.55，尤其是优选地小于0.4。

3.根据权利要求1或2所述的布置，其特征在于，所述阻尼元件(15)在所述至少两个环状凹槽中的第一环状凹槽(10)的区域中至少具有从中空圆筒形部分的外壁到所述纵向轴线(L)的第一平均间隔r₂，

其中，所述阻尼元件(15)在所述至少两个环状凹槽中的第一环状凹槽(10)的区域中至少具有从所述中空圆筒形部分的内壁到所述纵向轴线(L)的第二平均间隔r₁，

其中，所述阻尼元件(15)在所述环状凹槽(10、12)之间的所述环状质量段(11)的区域中具有平均长度l₃，

其中，表达式

<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>0.093</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mi>m</mi> <mi>m</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>0.0016</mn> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>l</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>/</mo> <mn>1</mn> <mi>m</mi> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>12.5</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>0.057</mn> </mrow>

小于0.55，尤其是优选地小于0.40，其中，r₁、r₂和l₃的数据以毫米为单位。

4.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述中空圆筒形部分为旋转对称的。

5.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述超声换能器(1)和所述阻尼元件(15)通过材料接合彼此连接。

6.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述阻尼元件(15)具有少于5个环状凹槽(10、12)。

7.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述至少两个环状凹槽(10、12)的长度l₁、l₂在所述轴向方向上长度相同，以及与所述两个环状凹槽(10、12)中的一个的所述长度l₁或l₂相比，所述环状质量段(11)的长度l₃更大，优选地是至少1.5倍。

8.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述超声换能器(1)末端具有弯曲板(7)，所述弯曲板具有表面(5)，所述超声信号从所述表面(5)传递到介质中，所述弯曲板(7)被实施为在边缘处自由地振荡。

9.根据前述权利要求任一项所述的布置，其特征在于，所述布置在如下频率范围内不具有轴向本征频率或旋转本征频率，在所述频率范围中，所述有用频率f_n与所述第一本征频率f_a的比大于1.6，以及所述有用频率f_n与所述第二本征频率f_r的比小于0.7。

10.一种用于过程测量技术的本发明的现场设备，尤其是一种用于测量气体介质的超声流量测量设备，其特征在于，所述现场设备具有在其上放置根据权利要求1所述的布置的测量管或供应容器。