CN109073431A - 应用于超声流量测量装置或超声料位测量装置的超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括外壳(31)的超声换能器(3)，其中布置有用于产生并检测超声信号的换能器元件(11)和声变换器(12)，其中声变换器(12)声学和机械耦合到换能器元件(11)。外壳(31)具有至少一个外壳本体，外壳本体具有至少一个外壳腔(32)，外壳腔(32)具有外壳壁(33)，外壳壁(33)至少部分地包围声变换器(12)，其中外壳声学和机械连接到测量管壁或容器壁，并且其中声变换器(12)通过声变换器(12)的侧表面(M)借助于第一隔音件特别是环形的第一隔音件与外壳(31)机械连接或者可机械连接。

Description

应用于超声流量测量装置或超声料位测量装置的超声换能器

技术领域

本发明涉及一种超声换能器，该超声换能器应用于测量管道中的介质流速或体积流量的超声流量测量装置或者应用于测量容器中的介质料位的超声料位测量装置。

背景技术

超声换能器已经使用了很长时间，在很多种变型中用于测量流速或料位。在使用超声换能器的情况下，值得注意的、总是重复出现的问题是用于产生和/或检测超声信号的超声换能器元件与测量设备之间的不期望有的相互作用，该相互作用是经由将超声换能器安装到测量设备中因接触而产生的。该相互作用导致测量设备的振动传递到超声换能器元件并叠加在测量信号上，使得测量值的记录变得困难。在这种情况下，测量设备的振动可能来自于远程位置，或者也来自于超声换能器元件产生的后脉冲振动，或者来自于附加的超声换能器。在超声换能器元件产生辐射到介质中的超声信号之后，由超声换能器元件的声衰减或混响引起后脉冲振动。

为了解决这个问题，例如参见US2015308870A1，包含超声换能器元件的超声换能器的外壳通过包层与仪表主体进行声学隔离。该解决方案的缺点在于，由于不能产生完美的声学隔离，所以外壳的所有本征振动可以被激发，并由此可以干扰超声换能器元件。

在文献EP1340964A1中公开了另一种方法来避免超声换能器元件和测量设备之间的相互作用的问题。具有超声换能器元件和辐射超声波的弯曲板的超声换能器装置由滤波器保持，其中滤波器用于超声换能器元件与外壳的隔音。在这种情况下，滤波器接触其外边缘上的弯曲板，并因此强烈地影响弯曲板的振动特性。此外，声学滤波器与强振动弯曲板的接触对于超声换能器与外壳的声学去耦是不利的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有隔音件的超声换能器，避免了由外壳振动引起的干扰，其中隔音件不接触辐射表面。本发明的目的通过如在独立权利要求1中限定的超声换能器得以实现。

本发明的超声换能器包括：

至少一个换能器元件，用于产生和/或检测超声信号；

至少一个声变换器，其中所述声变换器与所述换能器元件声学和机械耦合；

其中，所述声变换器具有辐射表面以及与辐射表面相交的纵向轴线；以及

具有至少一个外壳本体的至少一个外壳，所述外壳本体具有至少一个外壳腔，外壳腔具有外壳壁，外壳壁至少部分地围绕声变换器，其中所述外壳与测量管壁或容器壁声学和机械连接，以及

其中，所述声变换器借助于第一隔音件特别是环形的第一隔音件通过变换器的侧表面与外壳机械连接或可机械连接，所述第一隔音件可与介质接触。

在超声换能器的实施例中，在外壳腔中，面向介质的第一区域通过第一隔音件与背离介质的第二区域密封地分开。

在超声换能器的实施例中，所述第一隔音件包括第一隔离体、第二隔离体和第三隔离体，其中所述第一隔离体与声变换器接触，并且其中所述第三隔离体与外壳接触，并且其中所述第二隔离体布置在第一隔离体和第三隔离体之间。

在超声换能器的实施例中，所述隔离体分别由选自以下材料组的材料制成：金属、陶瓷、合成材料，其中所述合成材料特别是弹性体，其中接触隔离体具有不同的声阻抗。

在超声换能器的实施例中，所述第二隔离体至少由第一隔离体和/或第三隔离体保持。

在超声换能器的实施例中，所述第二隔离体被可振动地安置。

在超声换能器的实施例中，所述外壳壁在第二区域中包括第一轴向止动件，所述第一轴向止动件适于在介质的高压的情况下支撑第二隔离体。

在超声换能器的实施例中，所述外壳壁在第二区域中包括引导件，所述引导件适于在轴向引导第二隔离体。

在超声换能器的实施例中，至少一个隔离体轴向突出并超过声变换器的辐射表面。

在超声换能器的实施例中，所述声变换器、第一隔音件和外壳相对于纵向轴线基本上是旋转对称的。

在超声换能器的实施例中，外壳在背离介质的端部包括第二轴向止动件，该第二轴向止动件与声变换器和/或换能器元件机械地连接，并且其中所述第二轴向止动件适于保持声变换器和/或换能器元件。

在超声换能器的实施例中，所述超声换能器包括第二隔音件，所述第二隔音件适于将第二轴向止动件与声变换器和/或换能器元件机械连接，并且将第二轴向止动件与声变换器和/或换能器元件声学去耦。

在超声换能器的实施例中，所述换能器元件是压电换能器。

在超声换能器的实施例中，所述外壳是压力轴承。

在超声换能器的实施例中，所述声变换器和/或换能器元件借助于弹簧元件而被偏压抵靠第二轴向止动件。

因此，本发明提供了一种超声换能器元件，该超声换能器元件与超声换能器的外壳声学隔离。

附图说明

现在将基于附图中示出的实施例的示例更加详细地解释本发明，附图示出了如下内容：

图1是本发明的具有两个超声换能器的超声流量测量装置；

图2是本发明的超声换能器的实施例的示意性纵向剖视图，以及

图3是本发明的超声换能器的实施例的附加形式的示意性纵向剖视图。

具体实施方式

图1示出了一种根据传播时间或传播时间差原理工作的超声流量测量装置100，其中超声流量测量装置包括具有基本上直的测量管轴线AM的测量管1和用于本发明的超声换能器3的两个连接件2。在这种情况下，将超声换能器3布置在测量管中，使得超声换能器3的声变换器12具有共用的纵向轴线L，其中纵向轴线L相对于测量管轴线AM倾斜，使得由超声换能器3，4发射的超声信号的传播方向的分量指向或逆向于流经测量管1的介质的流动方向。传播时间差原理的应用利用的是逆向于流经测量管的介质的流动方向传播的超声信号的超声信号传播时间略大于沿着介质的流动方向传播的超声信号的超声信号传播时间的事实。超声信号之间的传播时间差取决于流速，从而可以根据传播时间差来确定测量管中的介质流速。

图2示出了本发明的超声换能器3的详细纵向剖面，该超声换能器3具有外壳，外壳由相对于纵向轴线L基本上旋转对称的外壳本体31、外壳腔32和外壳壁33组成。外壳壁33围绕适于产生并检测超声信号的换能器元件11如压电换能器元件。此外，外壳壁33部分地围绕相对于纵向轴线L基本上是旋转对称的声变换器12，其中声变换器12的前端辐射表面13从外壳腔32向外突出。然而，声变换器12也可以实施成使得其不从外壳腔32向外突出。声变换器12与换能器元件11声学和机械耦合，其中耦合可以通过粘接或者通过借助于弹簧元件51向第二隔音件的偏压来实现。由换能器元件11产生的超声信号被声变换器拾取并被引导至辐射表面13。辐射表面13将超声信号至少部分地传输到流经测量管1的介质中。类似地，辐射表面13拾取通过介质进入的超声信号并将其引导至换能器元件11，换能器元件11将超声信号转换成电信号。

在实际情况中，进入到换能器元件的超声信号总是叠加有干扰影响，这使得记录被测变量变得困难。因此，对于超声换能器3实际发挥作用而言最重要的是最小化这些干扰影响。这些干扰影响的大部分是由测量管1的管体音经由外壳31传递到超声换能器的换能器元件11引起的。因此，本发明的基本特征是利用第一隔音件将声变换器12和换能器元件11与外壳31声学去耦，其中隔音件还适于径向地保持声变换器，以使辐射方向保持不变。在图2所示的本发明的超声换能器的实施例的示例中，第一隔音件包括第一隔离体21、第二隔离体22和第三隔离体23，其中隔离体相对于纵向轴线L基本上是旋转对称的。隔离体21与声变换器12的侧表面LS接触，隔离体23与外壳壁33接触，隔离体22设置在隔离体21和23之间，并且至少部分地由隔离体21和23保持，其中隔离体21和23在径向上被夹紧。在这种情况下，隔离体21、22和23分别由例如钢、钛或铝的金属或陶瓷材料或合成材料制成，其中隔离体22优选由金属或陶瓷制成。为了抑制外壳和声变换器之间的干扰信号的移动，外壳、隔离体和声变换器优选具有不同的声阻抗。由于由此引起的干扰信号的反射以及随之增加的干扰信号在第一隔音件中的增加的停留时间，干扰信号被更强地抑制。作为进一步的结果，干扰信号是时间扩展的，这导致干扰的信号频率被移频至较低值。因此，通过选择具有不同阻抗的隔离体21、22、23，干扰信号可以被移频到较少干扰的频率范围。此外，隔离体21和23具有基本上椭圆形的横截面。从测量管1经过超声换能器的外壳31移动到隔离体23的干扰影响从那里开始仅在很小程度上传播到隔离体22，这是因为椭圆形横截面的几何特性阻碍了声干扰影响的传播。在应用声学阻尼材料例如弹性体的情况下，可以进一步抑制干扰影响的传播。类似地，隔离体21阻碍干扰影响从隔离体22到声变换器12的传播。在这种情况下，隔离体22被可振动地安置，使得它能够以振动能量的形式存储来自隔离体21和23的信号，并且缓慢放出信号，使得隔离体21和23之间的干扰信号传递被另外阻碍和减慢。外壳壁33包括第一轴向止动件34，其由于高介质压力而限制声学隔音件22的后退。在这种情况下，声学隔音件可以被弹性元件偏压，使得隔离体22在降低的介质压力的情况下被推向介质。隔离体22具有横截面，使得第一隔离体21和/或第三隔离体23至少部分地被第二隔离体22包围，并且因此在高介质压力的情况下由第二隔离体22保持。外壳壁33在面向介质的端部上可以具有附加的轴向止动件，其防止隔离体从外壳31中掉出。此外，外壳被形成为引导件，在平行于纵向轴线L运动的情况下对第二隔离体22进行引导。

第一隔音件是介质密封绝缘件，使得外壳腔32被分成面向介质的第一区域61和背离介质的第二区域62，其中区域61包含介质，并且其中区域62没有流经测量管的介质。到外壳31的超声信号的传递、由换能器元件11发射的超声信号的传递相应地以上述方式受到阻碍。第一隔音件因此用于减少来自测量管1的对换能器元件的干扰影响，并且还用于减少超声信号从换能器元件11经由外壳31移动到测量管中。

图2中的超声换能器在远离介质的端部包括第二隔音件41，其中外壳壁33具有第二轴向止动件35，声变换器12和换能器元件11通过弹簧元件51被压迫抵靠第二轴向止动件35，其中声变换器12由第二轴向止动件保持。第二轴向止动件35因此是压力轴承。在这种情况下，第二隔音件41可以涉及球形或环形元件。球形元件具有以下优点：它们在空间上广泛地扩散在接触点进入的干扰信号，并且进入的干扰信号只能离开出现小点的地方。因此，大部分的干扰信号能量保留在球形元件中并且通过衰减而消散。在环形元件的情况下，确保了在至少一个空间维度上的空间宽扩展。

图3中的超声换能器与图2中所示的超声换能器的不同之处在于，图3中的隔离体21、22、23的布置具有不对称的结构。不对称的结构允许通过第一隔音件来影响干扰信号路径。通过有利地选择的不对称结构与选择的隔离体21、22、23的制造材料相结合，可进一步抑制干扰信号的传递。利用具有许多拐角和边缘的横截面，例如在图3中的隔离体22的情况下，穿过这种隔离体的干扰信号在隔离体内被衍射和反射多次，使得相消干涉可以抑制干扰信号的转移。

本发明的超声换能器3因此包括第一隔音件，其以多种方式减少对换能器元件11的干扰影响。

附图标记列表

1 测量管

2 超声换能器连接件

3 超声换能器

11 换能器元件

12 声变换器

13 辐射表面

21 第一隔离体

22 第二隔离体

23 第三隔离体

31 外壳

32 外壳腔

33 外壳壁

34 第一轴向止动件

35 第二轴向止动件

41 第二隔音件

51 弹簧元件

61 第一区域

62 第二区域

100 超声流量测量装置

AM 测量管轴线

L 纵向轴线

LS 侧表面

G 引导件

Claims (15)

1.一种超声换能器(3)，应用于用来测量在测量管(1)中的介质流速或体积流量的超声流量测量装置(100)，或者应用于用来测量容器中的介质料位的超声料位测量装置，所述超声换能器(3)包括：

至少一个换能器元件(11)，用于产生和/或检测超声信号；

至少一个声变换器(12)，其中所述声变换器(12)与所述换能器元件(11)声学和机械耦合，其中，所述声变换器(12)具有辐射表面(13)以及与所述辐射表面(13)相交的纵向轴线(L)；以及

至少一个外壳(31)，该外壳具有至少一个外壳本体，所述外壳本体具有至少一个外壳腔(32)，所述外壳腔(32)具有外壳壁(33)，所述外壳壁(33)至少部分地围绕所述声变换器(12)，其中所述外壳与测量管壁或容器壁声学和机械连接，

其特征在于：

所述声变换器(12)借助于第一隔音件——特别是环形的第一隔音件——通过所述声变换器(12)的侧表面(LS)与所述外壳机械连接或可机械连接，所述第一隔音件与介质可接触。

2.如权利要求1所述的超声换能器，其中在所述外壳腔(32)中，面向介质的第一区域(61)通过第一隔音件与背离介质的第二区域(62)密封地分开。

3.如权利要求1和2所述的超声换能器，其中所述第一隔音件包括第一隔离体(21)、第二隔离体(22)和第三隔离体(23)，其中所述第一隔离体(21)与所述声变换器(12)接触，并且其中所述第三隔离体(23)与所述外壳接触，并且其中所述第二隔离体(22)被布置在所述第一隔离体(21)和所述第三隔离体(23)之间。

4.如权利要求3所述的超声换能器，

其中所述隔离体(21，22，23)分别由选自以下材料组的材料制成：金属、陶瓷、合成材料，其中所述合成材料特别是弹性体，

其中接触隔离体(21，22，23)具有不同的声阻抗。

5.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述第二隔离体(22)至少由所述第一隔离体(21)和/或所述第三隔离体(23)保持。

6.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述第二隔离体(22)被可振动地安置。

7.如权利要求4至6中至少一项所述的超声换能器，其中，所述外壳壁(33)在所述第二区域(62)中包括第一轴向止动件(34)，所述第一轴向止动件(34)适于在介质的高压情况下支撑所述第二隔离体(22)。

8.如权利要求3至7中至少一项所述的超声换能器，其中，所述外壳壁(33)在所述第二区域(62)中包括引导件(G)，所述引导件(G)适于轴向引导所述第二隔离体(22)。

9.如权利要求3至8中至少一项所述的超声换能器，其中至少一个隔离体(21，22，23)轴向突出并超过所述声变换器的辐射表面。

10.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述声变换器(12)、所述第一隔音件和所述外壳相对于所述纵向轴线基本上是旋转对称的。

11.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述外壳在背离介质的端部包括第二轴向止动件(35)，所述第二轴向止动件(35)与所述声变换器(12)和/或所述换能器元件(11)机械地连接，并且其中所述第二轴向止动件适于保持所述声变换器(12)和/或所述换能器元件(11)。

12.如权利要求11所述的超声换能器，其中所述超声换能器包括第二隔音件(41)，所述第二隔音件(41)适于将所述第二轴向止动件(35)与所述声变换器(12)和/或所述换能器元件(12)机械地连接，并且适于将所述第二轴向止动件(35)与所述声变换器(12)和/或所述换能器元件(12)声学去耦。

13.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述换能器元件(11)是压电换能器。

14.如前述权利要求中至少一项所述的超声换能器，其中所述外壳是压力轴承。

15.如前述权利要求11至14中至少一项所述的超声换能器，其中所述声变换器(12)和/或所述换能器元件(12)借助于弹簧元件(51)被偏压抵靠所述第二轴向止动件(35)。