CN108496075A - 用于确定介质特性的方法和用于确定介质特性的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及尤其一种用于确定介质(M)的物理特性、化学特性和/或生物特性的方法，其中借助于第一和第二发射器‑接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的接收器(SE2，SE3)接收表面波(OW1，OW2，OW3)，所述表面波至少部分地源自第一或第二声波(VW1，VW2，…)，所述声波通过在引导元件(R)的壳表面(11，12，21，22)处传播的声学表面波(OW1，OW2，OW3)激发，在介质(M)中传播并且至少部分地又作为表面波(OW1，OW2，OW3)耦合输入到引导元件、例如管(R)或管区段的壳表面(11，12，21，22)中。根据本发明提出：‑由第一发射器‑接收器对(SE1，SE2)的发射器(SE1)激发表面波(OW1，OW2)，所述表面波的传播方向平行于引导元件(R)的纵向延伸方向(z)伸展，并且‑由第二发射器‑接收器对(SE1，SE3)的发射器(SE1)激发表面波(OW3)，所述表面波的传播方向设定为相对于引导元件(R)的纵向延伸方向(z)有限定的角度α，其中0°<α<90°，使得第二发射器‑接收器对(SE1，SE3)的表面波(OW3)螺旋形地在引导元件(R)的壳表面(22)上传播至第二接收器(SE3)。

Description

用于确定介质特性的方法和用于确定介质特性的设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于确定介质的物理特性和/或化学特性和/或生物特性的方法以及一种根据权利要求9的前序部分的用于确定介质的物理特性和/或化学特性和/或生物特性的设备。
背景技术
通过这种类型的方法确定其物理和/或化学和/或生物特性的介质是流体，优选气体、液体或软质材料，尤其高粘度的、面团状的或糊状的介质。用于确定特性的声波例如为超声波，所述超声波由相应的发射器通过发射信号产生。
在已知的用于确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性的方法中，例如通过发射信号产生至少两个声波，在所述声波分别在处于相应的传播方向上的接收器处接收之前，所述声波至少部分地沿着相同的或不同的传播方向透过介质传播。例如，声波在流动介质中一方面在沿着介质的流动方向的第一传播方向上产生而另一方面在相反于介质流动方向的第二传播方向上产生。从在相应的接收器处生成的接收信号中于是能够求出传播时间差，并且从中例如推导出介质的(平均)流速。替选地或附加地，如果还借助于接收信号求出声波从发射器到接收器的绝对传播时间，那么能够得出关于介质的物理、化学和/或生物特性的其他的结论，如例如其密度、温度或组成。
从WO2008/034878A2中已知如下设备，其中产生声学表面波，所述声学表面波在波导中将体积声波耦合输入到相应的介质中。通过在如下部位处重复地耦合输出表面波，在接收器处又接收声学表面波，所述声学表面波的传播时间和传播时间差表征介质以及其物理、化学和/或生物特性，其中在所述部位处体积声波射到围住介质的壁部上。
因此，在从WO2008/0348787A2中描述的设备以及借助其实现的方法中，在相应的接收器处产生的接收信号的处理对于接收到的声波——在此声学表面波——具有决定性意义。因此，从在接收器处产生的接收信号中求出传播时间差或绝对传播时间绝不是普通的且可能地与显著的计算耗费联系在一起。根据要从接收信号中提取的信息，将各种方法用于信号处理。例如已知的是：使用调制过的发射信号，以便根据所获得的接收信号更可靠地能够推导出介质的特性。
此外，存在多种用于在管中进行流量测量的超声方法(集成或夹式)。夹式系统从外部安置在管上和进而不改变流动横截面。声波始终中心地横越管，由此尽管检测到整个流动剖面，但是流动剖面校正通常是不可行的。因此，高精确的流量测量仅在已知介质且同时温度和/或声速测量时是可行的。如例如从DE 195 03 714A1、EP 2 072 972A1、EP 2 386835A1或US 4,300,401A1中得出的常见的多射束方法尽管能够更详细地检测流动剖面，但是通常没有流动剖面的影响不工作，因为发射器和/或接收器为了定位声路径而引入到管壁中。
发明内容
因此，本发明的目的是提出用于确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性的在该方面改进的方法和在该方面改进的设备。
所述目的借助权利要求1的方法和借助权利要求9的设备来实现。
尤其通过从属权利要求说明可行的有利的实施变型形式。
根据本发明，尤其提出用于借助于至少两个发射器-接收器对和基于至少一个第一声波和第二声波确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性的方法。在此，第一声波至少部分地在第一发射器-接收器对之间透过介质传播，并且第二声波至少部分地在第二发射器-接收器对之间透过介质传播，其中介质邻接于纵向延伸的且横向于其纵向延伸方向拱起的引导元件的内部的壳表面，并且其中
a.借助于每个发射器-接收器对的发射器在引导元件的壳表面处激发表面波，
b.借助于每个发射器-接收器对的接收器接收表面波，所述表面波至少部分地源自第一声波或第二声波，所述第一声波或第二声波通过在壳表面处传播的声学的表面波激发，在邻接的介质中传播并且至少部分地又作为表面波耦合输入到引导元件的壳表面中，
c.借助于在第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对的不同的接收器处接收的表面波确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性，
d.由第一发射器-接收器对的发射器在引导元件的壳表面处激发表面波，所述表面波的主传播方向平行于引导元件的纵向延伸方向伸展，并且
e.由第二发射器-接收器对的发射器在引导元件的壳表面处激发表面波，所述表面波的主传播方向设定为相对于管的纵向延伸方向有限定的角度α，其中0°<α<90°。
这样，表面波由第二发射器-接收器对的发射器螺旋形地在引导元件的壳表面处传播至第二接收器。
通过借助于在接收器处在接收波列时产生的信号求出不同波列在发射器和接收器之间的传播的特性能够确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性，例如流速。在此，在一个设计方案中提出：将角度α设定成，使得借助于被激发的表面波耦合输入到介质中的声波、通常体积声波总是以相对于引导元件的纵向方向和相对于引导元件的中轴线的角度α>30°伸展。
经由此，借助Jackens的论文(“A three-path ultrasonic flow meter withfluid velocity profile identification”，in Meas.Sci.Technol.2,第635-643页,1991)，流动剖面校正是可行的。根据Jackson，三个限定的路径在一个管横截面中足以能够足够精确地求出对称的流动剖面并且能够用于流量测量的流动剖面校正。来自其论文的所附的图1，在不同的轴对称的流动剖面中对于不同角度ψ(对应于之前阐述的角度σ)示出所需要的校正系数K(出处同上，第637页)。在此，曲线A说明针对抛物线流动剖面关于角度ψ的校正系数K，曲线B针对扁平的流动剖面并且曲线C、D和E针对n＝5、6.5或10的幂函数。因此，除了根据现有技术的用于声速、密度、温度和浓度测量的中心声音透过之外，还实现两个另外的角度，其中的至少一个角度相对于中轴线显著大于30°。这在所提到的实施变型形式中，通过第二发射器-接收器对的根据本发明倾斜地在介质中行进的表面波来实现。
因此，引导元件例如能够为管，所述管限定用介质填充的内部空间。但是也能够为管区段，(敞开的)沟槽或弯曲的板，沟槽或板仅作为用于确定介质的物理、化学和/或生物特性的传感器装置的一部分没入到用介质填充的内部空间中，例如在管之内。
对于被激发的表面波在600m/s至2000m/s的范围中的声速而言，能够设定例如在50°和60°之间的角度α，尤其设定51°至56°的范围中的角度α。如果被激发的表面波的声速在600m/s至1150m/s的范围中，那么在一个实施变型形式中角度α设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度α。通过借助发射器设定上文说明的角度范围，发射器和接收器能够相对紧凑地构成，因为发射器和接收器之间得到的声路径相对细长并且借此能够实现尤其在声包(Schallpaket)在流动介质中的足够长的停留时间(从中得到大的测量效果)和大于30°的角度σ之间良好的折衷。在此，上面说明的角度范围通过相应地定位和设计发射器实现。在此，发射器的匹配的定位例如能够以计算的方式或通过实验来得出。
在一个改进形式中，还设有至少一个另外的第三发射器-接收器对，其中由第三发射器-接收器对的发射器激发表面波，所述表面波的传播方向设定为相对于引导元件的纵向延伸方向有限定的角度γ，其中0°<γ<90°。经由此例如以特别简单的方式可以进行更为精确的流量测量。
于是，对于被激发的表面波的声速处于600m/s至1150m/s的范围中的情况而言，对于第三反射器-接收器对，例如同样设定37°和45°之间的角度，尤其设定38°至44°范围中的角度γ。
为了显著改进测量精度，——如在第二发射器-接收器对中那样——进行第三发射器-接收器对的发射器的设定和接收器的位置并且相互协调，使得由第三发射器-接收器对的接收器于是能够接收表面波，所述表面波始于所述发射器-接收器对的发射器仅沿着外部的壳表面螺旋形地传播。
如上文已经谈及的那样，所提出的方法能够用于：借助于第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对的不同的接收器处接收到的表面波执行相对极其精确的流量测量，并且确定介质经过引导元件的流速。尤其是，能够基于在第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对的不同的接收器处接收到的表面波求出流动剖面，并且在确定介质的流速时进行流动剖面校正。
根据第二发明方面，提出一种用于确定介质的物理、化学和/或生物特性的设备，所述设备具有：
-具有纵向延伸的且横向于其纵向延伸方向拱起的引导元件的声学的波导，要表征的介质能够邻接于引导元件，
-至少两个发射器-接收器对，其中
a.借助于每个发射器-接收器对的发射器在引导元件的壳表面处激发表面波，和
d.借助于每个发射器-接收器对的接收器能够接收表面波，所述表面波至少部分地源自声波，所述声波通过在壳表面处传播的声学的表面波激发，在介质中传播并且至少部分地又作为表面波耦合输入到引导元件的壳表面中，并且
-与第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对的不同的接收器耦合的电子评估装置，借助在第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对的不同的接收器处接收的表面波能够确定介质的物理、化学和/或生物特性。
在此，附加地提出：
-第一发射器-接收器对的发射器配置为且在引导元件的外部的壳表面处设置成，激发表面波，表面波的传播方向平行于引导元件的纵向延伸方向伸展，并且
-第二发射器-接收器对的发射器配置为且在引导元件的外部的壳表面处设置成，激发表面波，所述表面波的传播方向设定为相对于引导元件的纵向延伸方向有限定的角度α，其中0°<α<90°。
对于激发的表面波的在600m/s至2000m/s的范围中的声速而言，能够将第二发射器-接收器对的发射器重新配置为和在引导元件的外部的壳表面上设置为，使得角度α设定在50°和60°之间，尤其设定51°至56°的范围中的角度α。对于被激发的表面波的在600m/s至1150m/s的范围中的声速而言，能够通过发射器将角度α设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度α。
如已经在上文中参考所提出的方法阐述的那样，该设备还能够包括至少一个另外的第三发射器-接收器对，其中第三发射器-接收器对的发射器配置为且在引导元件的外部的壳表面处设置成，激发表面波，所述表面波的传播方向设定为相对于引导元件的纵向延伸方向有限定的角度γ，其中0°<γ<90°。
对于要通过第三发射器-接收器对的发射器激发的表面波的在600m/s至1150m/s的范围中的声速而言，同样能够将第三发射器-接收器对的发射器配置为并且在引导元件的外部的壳表面处设置成，使得角度γ设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度γ。
原则上，能够通过换能器形成发射器和/或接收器，尤其叉指式换能器或楔形换能器。
在此，借助所提出的设备，尤其能够执行所提出的方法，使得该方法的实施变型形式的上面和下面阐述的优点和特征也适用于该设备的实施变型形式，反之亦然。
附图说明
所附的附图示例性地说明所提出的解决方案的可行的实施例。
在此示出：
图1示出用于说明在不同的轴对称的流动剖面中针对不同的角度ψ的校正系数K的图表；
图2A-2B在说明始于测量设备的发射器-接收器对的发射器的相对宽的螺旋形的声路径带(Schallpfandband)的情况下示出测量设备的实施变型形式；
图3A-3B在说明始于(共同的)发射器的相对细长的螺旋形的声路径带的情况下在示出发射器-接收器对的发射器和接收器的位置下的测量设备的一个实施变型形式；
图4示出现有技术中已知的测量设备。
具体实施方式
在图4的剖视图中部分地示出本身已知的(测量)设备，所述设备构成和设置用于确定介质M的物理特性、化学特性和/或生物特性，尤其用于确定或测量流动介质M的流速。具有两个基底1、2作为波导的引导元件的声波导是测量设备的一部分，其中介质M流动经过波导。彼此相对置且其指向彼此的(内)表面11、21彼此平行地沿着波导的主延伸方向伸展的基底1、2由非压电的材料制造。在此，基底是管R的连续的柱形的、优选圆柱形的管壳的相对置的部段。
这些基底1、2以间距a相对置并且在此通过管R的两个以该间距a相对置的壁部段围住，所述壁部段形成起波导作用的管或管段的(通道形的)内部空间3。在内部空间3中，填充要测量的介质M，所述介质通过波形的线示意地示出，其中介质M能够流动经过内部空间3。液态的或能流动的介质M经过内部空间3的流动方向原则上是任意的。当前，进行沿着波导的延伸方向z和平行于内表面11、21从进入开口到离开开口的穿流。流动方向在图4中通过离开或进入开口处的箭头示出。
将第一发射器-接收器单元SE1和第二发射器-接收器单元SE2与该设备的波导的两个(第一和第二)基底1和2相关联，所述第一和第二发射器-接收器单元共同地形成(第一)发射器-接收器对。在此，每个发射器-接收器单元SE1、SE2在至少两不同的运行模式中一方面能够作为发射器运行而另一方面能够作为接收器运行，以便激发或接收表面波。因此，例如第二基底2的第一发射器-接收器单元SE1(首先)作为发射器运行，而第一基底1的第二发射器-接收器单元SE2作为接收器运行。
发射器-接收器单元SE1、SE2分别设置在相应的基底2或1的外表面22或12上或设置在管R的壳表面之外，所述壳表面与分别朝向具有介质M的内部空间5的内表面21或11相对置。两个发射器-接收器单元SE1、SE2优选为具有叉指式电极的压电变换器，或具有楔形先导段的整面的压电变换器。优选地，通过粘贴将发射器-接收器单元SE1、SE2固定在相应的基底2、1上，使得所述发射器-接收器单元能够简单地且顺畅地安装。替选地，也能够设有其他的固定类型。
图4的第一发射器-接收器单元SE1当前处于波导的第一端部的区域中，而第二发射器-接收器单元SE2设置在波导的另外的第二端部的区域中，并且波导在所示出的横截面中沿着主延伸方向z在这两个端部之间延伸。
经由作为发射器工作的发射器-接收器单元，例如SE1，借助于预设的优选脉冲状的发射信号在衬底2中产生声学表面波OW2。所产生的该声学表面波OW2的能量的一部分在内表面21的边界面处作为体积声波VW1耦合输入到介质M中。体积声波VW1的传播和体积声波VW1的传播方向在此在图4中示意地通过虚线和通过该虚线旁的箭头示出。通过虚线旁的各两个相反的箭头表述：体积声波沿着通过虚线代表的路径部段PA1至PA7在设备的一个运行模式中沿一个方向传播而在设备的另一运行模式中沿另一方向传播。
形成内表面12、21的两个基底1、2优选由非压电的材料构成并且具有厚度d，所述厚度限定为分别相关联的外表面12或22的内表面11、21的间距(＝管的标称宽度)。当前，厚度d小于或等于分别产生的声学表面波的波长。由此，在基底1、2之内传播的声学表面波能够具有如下波特性，使得所述表面波沿着板形的基底1、2的内表面11、21和沿着板形的基底1、2的外表面12、21传播。因此，激发朗伯波或在朗伯波和瑞利波的过渡区域中的波。在此，根据基板1、2的板的厚度d，声学表面波基本上以朗伯波(d小于声学表面波的波长)的形式存在或者以由出自朗伯波和瑞利波之间的过渡区域中的波的形式存在(d等于声学表面波的波长)。在任何情况下，声学表面波当前沿着基板1和2的两个表面11、12和21、22传播。
如在图4中说明，例如，声学表面波OW2由此始于作为发射器工作的发射器-接收器单元SE1沿着第二基底2的延伸方向z和尤其沿着该基底2的内表面21伸展。沿着基底2的内表面21伸展的声学表面波OW2的声波能量的一部分耦合输入到位于内部空间3之内的介质M中，使得在介质M之内产生体积声波VW1。在此，该耦合输入的体积声波VW1的传播方向相对于扁平表面21上的法线倾斜了特征性的角度Δ，所述角度未被绘出。
体积声波VW1分别沿着路径P1在介质M中传播。该路径能够划分成不同的通过虚线示出的部段PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7。每个所述路径部段在(第二)基底2和另一(第一)基底1之间伸展。一旦体积声波VW1到达相对置的基底1的内表面11上的相互作用部位，就将其能量的一部分耦合输入到基底1中，使得在其中产生声学表面波OW1，其例如呈朗伯波或在朗伯波和瑞利波的过渡区域中的表面波的形式，所述表面波沿着该基底1传播。
此外，在体积声波VW1到达基底1、2之一的内表面11或21的任何时间点，出现所述声波与相应的基底1、2的相互作用。在此，通常在基底1、2之间出现声能量的能量交换，尤其体积声波VW1和相应的基底1、2的表面波OW1、OW2之间的声能量的能量交换。体积声波VW1至少部分地被反射并且在此改变其传播方向。如果在能量从体积声波VW1耦合输入到相关的表面波OW1中存在相互作用，那么通过该耦合输入提高表面波OW1的幅度，并且体积声波VW1的幅度下降。替选地也根据基底和介质M以及波的特性能够进行表面波OW1的能量耦合输入到体积声波VW1中。
通过体积声波VW1与基底1、2沿着其路径P1相互作用，因此限定多个相互作用部位。在所述交互作用部位处，体积声波VW1分别与基底1、2和出现在基底1、2中的表面波OW1、OW2相互作用。整体上，包括体积声波VW1的(第一)波列因此在第一发射器-接收器单元SE1和第二发射器-接收器单元SE2之间在介质中沿着波导的主延伸方向传播到基本上之字形的传播路径P1上。由于体积声波VW1与同第二基底2相对置的第一基底1在所述基底的内表面11处的相互作用，引起表面波OW1的激发，所述表面波在基底1上传播并且最后能够在作为接收器工作的发射器-接收器单元SE2处接收。在第二基底2、即体积声波VW1与第二基底2相互作用的部位之间，表面波OW1在没有放大的情况下传播，但是在其后续的相互作用部位处(可能)经受另外的放大。通过测量在接收器E处出现的波列，尤其通过测量通过与体积声波VW1相互作用而激发的表面波OW1，能够求出波列在第一发射器-接收器单元SE1和第二发射器-接收器单元SE2之间的传播时间。
因此，尤其当确定波列在发射器-接收器单元SE1、SE2之间的传播时间时，从能够从依次在作为接收器工作的发射器-接收器单元SE2处出现的声学表面波OW1(或表面波OW1的组)中推导出介质M之内的声速。借助将另一发射器-接收器单元以距SE1的一定距离设置在基底2上，能够获得附加的幅度信息。在SE2和另一发射器-接收器单元处测量的幅度的比例能够用于推导出介质的材料密度。因为经由体积声波VW1在相应的相互作用部位处耦合输入的声学表面波OW1的所测量的传播时间和幅度受介质M的特性所影响，那么通过电子评估装置AS能够确定要测量的介质M的物理、化学和/或生物特性，发射器-接收器单元SE2的信号被转发给所述电子评估装置。在此，分别从在发射器-接收器单元SE2或SE1处接收的声波中产生接收信号，所述声波作为体积声波VW1(或VW2)至少部分地通过介质M从另一发射器-接收器单元SE1、SE2传播至该发射器-接收器单元SE2、SE1。
在此要注意的是：在接收器处或在以接收器模式运行的发射器-接收器单元SE2处通常仅接收表面波OW1，其中该表面波OW1归因于射到第一基底1上的体积声波VW1。所求出的在一个或多个表面波的接收之间的时间差与之相应地也用作为确定流速的基础，如这在下文中还更详细地阐述。
图4的设备对此能够经由复用以两个不同的运行模式运行，即过去以接收器模式运行的第二发射器-接收器单元SE2以发射器模式运行，而过去以发射器模式运行的第一发射器-接收器单元SE1以接收器模式运行。在此，现在通过以发射器模式运行的第二发射器-接收器单元SE2在第一基底1中激发声学表面波OW1。该声学表面波OW1的能量的至少一部分如之前那样变换成在介质M中传播的声学体积声波VW2的能量，所述体积声波VW2现在在从第二发射器-接收器单元SE2到第一发射器-接收器单元SE1的传播路径P2上透过介质M传播。因此，第二声波的由第二发射器-接收器单元SE2激发的表面波OW1从该发射器-接收器单元SE2传播，使得由此激发的体积声波VW2基本上相反于之前的体积声波VW1伸展并且之字形地经过介质M朝第一发射器-接收器单元SE1的方向伸展。
因此，经由在发射器-接收器单元SE1、SE2的发射器模式和接收器模式之间切换，颠倒体积声波VW1、VW2在介质M之内沿着波导的主传播方向的运行方向。由此得到：根据运行模式，(第一或第二)波列或第一或第二声波一方面在两个发射器-接收器单元SE1和SE2之间传播，使得所述声波或波列具有在介质中伸展的路径部段PA1至PA7，所述声波或波列沿着所述路径部段具有传播速度矢量，所述传播速度矢量具有沿介质M(第一波列)的流动的方向的矢量的传播速度分量，并且另一方面传播成，使得所述声波或波列具有在介质中伸展的路径部段PA7至PA1，沿着所述路径部段，所述声波或波列具有传播速度矢量，所述传播速度矢量具有相反于介质M(第二波列)的流动的方向的矢量的传播速度分量。因此，由于介质M的流动，第二波列的在第一发射器-接收器单元SE1处接收的表面波的传播时间与第一波列的在第二发射器-接收器单元SE2处接收的表面波彼此偏差。通过测量两个波列的(绝对的)传播时间和/或求出彼此相反的波列的传播时间差，因此原则上可行的是：确定介质M的流速。此外，能够经由波列沿着波导的传播导出关于声速、介质M中的物质的密度或浓度的信息。
然而，根据入射的声波的接收到的信号(接收信号)推断出声波在发射器-接收器单元SE1、SE2之间的传播时间差或甚至绝对的传播时间，在任何情况下都不是普通的并且可能需要巨大的计算耗费。此外，这也适用于其他测量设备，其中借助于声波确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性。
在此，现在根据本发明的方法设置：该方法设有另一发射器-接收器对，其中由第二发射器-接收器对的发射器激发表面波，所述表面波的(主)传播方向设定为相对于管的纵向延伸方向有限定的角度α，其中0°<α<90°。这样，以角度α倾斜于管的中轴线激发的表面波螺旋形地在管的壳表面上传播至第二接收器。
沿优选方向或主传播方向(角度α，始于投影到管壁上的管轴线)在管R的壳表面22上激发的声包螺旋形地在所述壳表面22上以管壁上的朗伯波的相位速度cPh运行(在图2A、2B、3A和3B中黑色/点状地示出)。始于起点(x(t＝0)＝0,y(t＝0)＝-R,z(t＝0)＝0)，获得管壁中的可行的主声路径的曲线变化(x(t),y(t),z(t))，其中r描述管的半径：
x(t)＝r＊sin(cu *t/R)
y(t)＝-r*cos(cu *t/R)
z(t)＝cz *t
cu和cz是朗伯波的沿环周方向或管轴线投影的相位声速，其中cu＝
cPh*sin(α)和cz＝cPh*cos(α)，即tan(a)＝cu/cz。
如已经参考图4示出，在声波重新耦合输入到管R中之前，朗伯波在其传播时至少部分地将声传播到包围的介质M或流体中，在那里进行声波的直线传播(始于图2A和3A中的零点“0”分别在右侧的图部分中示出并且在图2A和3B中分别在左侧的图部分中示出)。再次耦合输入的声部分将其传播至少部分地在壳表面22中作为具有相同斜率的螺旋延续(互反)并且形成次级声路径。现在，应实现用于声接收的装置，使得其同样在流体的声速的预设范围中覆盖直接放射的声(即之前描述的螺旋，初级波)以及次级螺旋。在此，角度α预先设定成，使得介质中的声路径在当前可行的声速的整个数值范围中总是具有相对于管R的中轴线大于30°的角度(在图2A中用角度β1和β2表示)并且沿管R的纵向方向z跨接足够长的线段(＝>测量效应)。
根据图2A和2B，说明设备，其中角度α设定为40°。尽管，在介质M之内在允许的2000m/s至600m/s的声速范围中可行的声路径充分地倾斜(在声速为2000或600m/s的情况下在角度β1和β2之间)并且在流体中也足够长(在例如DN50下>20mm)，所述声路径经由声路径部段PAB*的束说明。但是，在第二发射器-接收器对的发射器和接收器之间在管R的壳表面22处传播的表面波OW3的主螺旋和副螺旋还形成管壁22上的相对宽的路径(作为路径束PB*的一部分示出)。这样，使借助仅一个换能器相同检测两个部分变难。
作为声包在流动介质M中的足够长的停留时间(从中得出的大的测量效应)和相对于管R的中轴线大于30°的角度σ以及管壁22中的紧密包围的声路径之间的可能的折衷，使得能够将用于接收和发射声包的最小的换能器安置在管壁22上(对应于图4中的11)，能够基于根据本发明的解决方案例如提出将发射器-接收器对SE1、SE2和SE1、SE3安置在管R上，其中对于大的声速范围(600m/s-2000m/s)借助至少一个发射器/接收器或仅刚好一个附加的发射器-接收器对和51°至56°的范围中的角度α工作。经由此能够执行修正流动剖面的流量测量。为了有效地进行流动剖面补偿，耦合输入到介质M中的且通过介质M传播的体积声波的路径部段因此覆盖大约30°至61°的角度σ的角度范围，其中所述体积声波针对不同的声速在图3A和3B中作为束PAB示出。
图3A和3B在示出第二发射器-接收器对SE1、SE3的位置的情况下说明测量设备的一个示例性的设计方案(在此DN50，但是能够任意地缩放大小)。根据图4的第一发射器-接收器对SE1、SE2同样设置在管R的壳表面上。例如构成为换能器的发射器-接收器单元SE1和SE3的位置在图3A和3B中标记。所述发射器-接收器单元以其主放射方向沿着路径束PB的绘出的螺旋的方向定向(这对应于角度α的上述数值范围)。
原则上，一个发射器能够与多个、尤其两个第一和第二发射器-接收器对相关联或者每个发射器-接收器对能够具有自身的发射器，所述发射器与另一发射器-接收器对的发射器不同并且也在空间上间隔开地定位。作为发射器和/或接收器运行的发射器-接收器单元通常构成为声变换器，例如呈叉指式换能器或楔形换能器形式。
在一个变型形式中，第二发射器-接收器对SE1、SE3的发射器SE1配置成并且在管R的外部的壳表面22处设置成，使得激发表面波OW3，所述表面波的传播方向针对大约600m/s至1150m/s的声速范围设定为相对于管R的纵向延伸方向z有38°至44°的范围中的限定的角度α。
替选地或补充地，在一个变型形式中，至少还设有附加的第三发射器-接收器对。于是，在该第三发射器-接收器对中优选的是：为了提高测量效应，针对大约600m/s至1150m/s的声速范围，将发射器的主放射方向设定为，使得在管R的壳表面22处激发表面波OW3，所述表面波的主传播方向设定为相对于管R的纵向延伸方向有38°至44°的范围中的限定的角度γ。经由此，例如以特别简单的方式可以还更精确地进行流量测量。
根据本发明构成的尤其基于图2A、2B或3A、3B的实施变型形式，也能够用于在确定介质M经过管R的流速时识别不对称的流动剖面和对其自动地校正。在此于是除了第一和第二和可能也附加地还有第三发射器-接收器对也能够设有另外的发射器-接收器对，尤其如下发射器-接收器对，其中在管R的壳表面22处由发射器激发表面波OW3，所述表面波的主传播方向设定为相对于R的纵向延伸方向z有限定的>0°的角度。
还公开了：借助所示出的设备和借此实施的方法不仅能够确定流动介质M的(平均的)流速并且还能够执行流量测量，而是也——替选地或补充地——能够执行浓度测量、厚度测量、间距测量、温度测量和/或料位测量，如这还在类似的、以声波、尤其超声波工作的设备中已经已知。相同的内容适用于确定接收到的声波的瞬时幅度或瞬时相位的时间相关的变化和从中推导出的介质M的密度或粘度的数值的时间相关的变化。
附图标记列表
1 (第一)基底
11 内表面/内部的壳表面
12 外表面
2 (第二)基底
21 内表面
22 外表面/外部的壳表面
3 内部空间
AS 电子评估装置
a 间距
d 厚度
M 介质
OW1、OW2、OW3 表面波
P1、P2 路径
PA1-PA7 路径部段
PB、PB* 路径束
PAB、PAB* 可能的路径部的束
SE1、SE2、SE3 发射器-接收器单元/换能器
R 管
VW1、VW2 体积声波
α、β1、β2、σ 角度
u 环周方向

Claims (14)

1.一种用于借助于至少两个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)并且基于至少一个第一声波和第二声波确定介质(M)的物理特性、化学特性和/或生物特性的方法，其中所述第一声波至少部分地在第一发射器-接收器对(SE1，SE2)之间透过所述介质(M)传播，并且所述第二声波至少部分地在第二发射器-接收器对(SE1，SE3)之间透过所述介质(M)传播，其中所述介质(M)邻接于纵向延伸的且横向于其纵向延伸方向(z)拱起的引导元件(R)的内部的壳表面，并且其中
a.借助于每个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的发射器(SE1)在所述引导元件(R)的壳表面(11，12，21，22)处激发表面波(OW1，OW2，OW3)，
b.借助于每个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的接收器(SE2，SE3)接收表面波(OW1，OW2，OW3)，所述表面波至少部分地源自第一声波或第二声波(VW1，VW2，……)，所述第一声波或第二声波通过在所述壳表面(11，12，21，22)处传播的声学的表面波(OW1，OW2，OW3)激发，在所述介质(M)中传播并且至少部分地又作为表面波(OW1，OW2，OW3)耦合输入到所述引导元件(R)的所述壳表面(11，12，21，22)中，并且
c.借助于在所述第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的不同的接收器(SE2，SE3)处所接收的所述表面波(OW1，OW2，OW3)确定所述介质(M)的物理特性、化学特性和/或生物特性，
其特征在于，
-由所述第一发射器-接收器对(SE1，SE2)的发射器(SE1)在所述引导元件(R)的所述壳表面(22)处激发表面波(OW1，OW2)，所述表面波的主传播方向平行于所述引导元件(R)的纵向延伸方向(z)伸展，并且
-由所述第二发射器-接收器对(SE1，SE3)的发射器(SE1)在所述引导元件(R)的所述壳表面(22)处激发表面波(OW3)，所述表面波的主传播方向设定为相对于所述引导元件(R)的所述纵向延伸方向(z)有限定的角度α，其中0°<α<90°。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至2000m/s的范围中的声速，将所述角度α设定在50°和60°之间，尤其设定51°至56°的范围中的角度α。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至1150m/s的范围中的声速，将所述角度α设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度α。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还设有至少一个另外的第三发射器-接收器对，其中所述第三发射器-接收器对的发射器激发表面波，所述表面波的传播方向设定为相对于所述引导元件(R)的所述纵向延伸方向(z)有限定的角度γ，其中0°<γ<90°。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至1150m/s的范围中的声速，将所述角度γ设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度γ。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二发射器-接收器对或第三发射器-接收器对(SE1，SE3)的接收器(SE3)接收表面波(OW3)，所述表面波始于所述发射器-接收器对(SE1，SE3)的发射器(SE1)仅沿着外部的壳表面(22)螺旋形地传播。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的不同的接收器(SE2，SE3)处接收的表面波(OW1，OW2，OW3)执行流量测量，通过所述引导元件(R)确定所述介质(M)的流速。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于在所述第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的不同的接收器(SE2，SE3)处接收的所述表面波(OW1，OW2，OW3)求出流动剖面，并且在确定所述介质(M)的流速时进行流动剖面校正。
9.一种用于确定介质的物理特性、化学特性和/或生物特性的设备，尤其用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的设备，所述设备具有：
-具有纵向延伸的且横向于其纵向延伸方向(z)拱起的引导元件(R)的声学的波导，要表征的介质(M)能够邻接于所述引导元件，
-至少两个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)，其中
c.借助于每个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的发射器(SE1)在所述引导元件(R)的壳表面(11，12，21，22)处激发表面波(OW1，OW2，OW3)，和
d.借助于每个发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的接收器(SE2，SE3)能够接收表面波(OW1，OW2，OW3)，所述表面波至少部分地源自声波(VW1，VW2，……)，所述声波通过在所述壳表面(11，12，21，22)处传播的声学的表面波(OW1，OW2，OW3)激发，在所述介质(M)中传播并且至少部分地又作为表面波(OW1，OW2，OW3)耦合输入到所述引导元件(R)的所述壳表面(11，12，21，22)中，并且
-与所述第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的不同的所述接收器(SE2，SE3)耦合的电子评估装置，借助于在所述第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对(SE1，SE2；SE1，SE3)的不同的所述接收器处所接收的所述表面波(OW1，OW2，OW3)能够确定所述介质(M)的物理特性、化学特性和/或生物特性，
其特征在于，
-所述第一发射器-接收器对(SE1，SE2)的发射器(SE1)配置且在所述引导元件(R)的外部的壳表面(22)处设置成，激发表面波(OW1，OW2)，所述表面波的传播方向平行于所述引导元件(R)的纵向延伸方向(z)伸展，并且
-所述第二发射器-接收器对(SE1，SE3)的发射器(SE1)配置且在所述引导元件(R)的所述外部的壳表面(22)处设置成，激发表面波(OW3)，所述表面波的传播方向设定为相对于所述引导元件(R)的所述纵向延伸方向(z)有限定的角度α，其中0°<α<90°。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至2000m/s的范围中的声速，将所述角度α设定在50°和60°之间，尤其设定51°至56°的范围中的角度α。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至1150m/s范围中的声速，将所述角度α设定37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度α。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，其特征在于，还设有至少一个另外的第三发射器-接收器对，其中所述第三发射器-接收器对的发射器配置且在所述引导元件(R)的所述外部的壳表面(22)处设置成，激发表面波，所述表面波的传播方向设定为相对于所述引导元件(R)的所述纵向延伸方向(z)有限定的角度γ，其中0°<γ<90°。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，对于被激发的所述表面波(OW1，OW2，OW3)的在600m/s至1150m/s的范围中的声速，将所述角度γ设定在37°和45°之间，尤其设定38°至44°的范围中的角度γ。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的设备，其特征在于，通过换能器形成发射器和/或接收器，尤其叉指式换能器或楔形换能器。
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