CN109937348A - 用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器、以及超声流量测量装置 - Google Patents

用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器、以及超声流量测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器(10)以及一种包括根据本发明的至少一个夹装式超声传感器(10)的超声流量测量装置。夹装式超声传感器(10)被设计成在超声流量测量装置的测量管(60)的测量管壁(61)中产生至少一个兰姆波模式。为了确保在不同类型的测量管上使用夹装式超声传感器(10)，夹装式超声传感器(10)包括可更换的耦合元件(40)，该耦合元件适合于相应类型的测量管。

Description

用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器、以及超声流量 测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量介质在测量管中的流量或体积流量的超声流量测量装置的夹装式(clamp-on)超声传感器。其中，夹装式超声传感器被设计成产生并检测测量管壁中的兰姆波模式，其中兰姆波模式致使超声信号被发射到测量管中，并且其中兰姆波模式由超声信号通过测量管并到达测量管壁而引起。
背景技术
兰姆波模式的产生和检测已经是现有技术，例如在美国专利No.6575043B1和美国专利No.4735095B中所示出的那样。
然而，夹装式超声传感器在测量管壁中产生兰姆波模式的效率取决于由夹装式超声传感器产生的超声信号的波长或波长范围、测量管的几何和材料特性以及测量管和夹装式超声换能器之间的接触区域的几何配置。结果，被设计成在测量管壁中产生兰姆波模式的夹装式超声传感器不能够没有限制地在所有的各种测量管中使用。每种类型的测量管都需要专门适合的夹装式超声传感器，以使高水平的效率成为可能。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种有效耦合的夹装式超声传感器，其可以以特别灵活的方式被用在不同的测量管类型上。
本发明通过根据独立权利要求1所述的夹装式超声传感器以及根据独立权利要求13和15所述的超声流量测量装置来实现。
根据本发明的夹装式超声传感器用在用于测量介质在测量管中的流量或体积流量的超声流量测量装置中，包括：
至少一个用于产生和/或检测超声信号的换能器元件；
至少一个声发射器，被设计成在测量管壁和换能器元件之间传输超声信号，使得超声信号在测量管壁中被形成为至少一个兰姆波模式，
其中超声信号在测量管壁中被形成为至少一个兰姆波模式，
其中所述声换能器在面向测量管的一侧上具有一种几何结构，该几何结构被设计成将发射器中的超声信号转换为测量管壁中的超声信号，和/或将测量管壁中的超声信号转换为发射器中的超声信号，
其中所述声发射器具有至少一个超声信号导体和至少一个耦合元件，
其中所述超声信号导体和耦合元件被可拆卸地机械连接，
并且其中所述超声信号导体被声学耦合到换能器元件，并且其中所述耦合元件具有几何结构并且被设计成声学耦合到测量管。
所述换能器元件因此是可更换的；所述夹装式超声传感器可适用于不同的测量管，并且用于测量不同声学阻抗以及从而不同声速的介质的流量或体积流量。
在夹装式超声传感器的实施例中，所述夹装式超声传感器还包括具有至少一个壳体腔的壳体，换能器元件被布置在所述壳体腔中。
在夹装式超声传感器的实施例中，所述夹装式超声传感器还包括保持装置，所述保持装置被设置成将壳体或换能器元件可释放地紧固到测量管。
在夹装式超声传感器的实施例中，所述几何结构具有至少两个突起，其中，在测量管轴线的方向上，相邻的突起彼此之间相距一定的距离，所述距离关于超声信号的波长范围和/或关于测量管的几何形状和/或测量管的材料特性被优化，以改善耦合元件的耦合特性。测量管壁中的兰姆波模式的特征在于测量管壁在空间上分布的振荡最大值和振荡最小值。为了兰姆波模式的最佳激励，突起之间的距离必须对应于振荡最大值之间的距离。
在夹装式超声传感器的实施例中，所述耦合元件具有基底面积和高度，其中高度的平方小于基底面积的10％，其中高度的平方特别地小于基底面积的5％，并且其中高度的平方特别地小于基底面积的2％。因此，所述耦合元件基本上是盘形的。基底面积由耦合元件在平面上的最大正交突起给出；高度由与其垂直的最大延伸量给出。
在夹装式超声传感器的实施例中，几何结构和测量管之间的接触区域基本上沿直线。这是因为事实上除了凹槽之外是平坦的耦合元件的接触表面位于测量管的圆柱形侧表面上。
在夹装式超声传感器的实施例中，在每种情况下，将对于超声信号具有适当的传递函数的层布置在耦合元件和测量管之间，和/或耦合元件和超声信号导体之间，和/或换能器元件和超声信号导体之间。例如，通过阻抗匹配所述层可以增加相关元件之间的超声信号的传输。
在夹装式超声传感器的一个实施例中，耦合元件可以被对准在壳体上和/或保持装置上。例如，耦合元件可以具有至少一个凹槽，壳体或保持装置的凸耳接合在该凹槽中。
在夹装式超声传感器的一个实施例中，壳体可以被对准在保持装置上。这可以通过凹槽和凸耳或者通过弹性的锁定机构来完成。
在夹装式超声传感器的一个实施例中，在测量管壁中产生至少一个兰姆波模式致使超声信号被发射到测量管中，其中发射具有至少一个优选的发射方向，该发射方向关于测量管轴线形成的角度(β)小于90°，特别是小于70°，并且优选小于60°。
在夹装式超声传感器的一个实施例中，耦合元件可附接在超声信号导体上并可更换；并且其中附接包括来自以下列表的至少一个元件：钩毛搭扣(Velcro)连接，可释放的粘性连接，带螺纹连接的翼形螺母，卡扣连接，带螺纹连接的滚花螺母，夹紧的连接，基于附着力的油脂连接或硅树脂膜，磁性连接。
通过耦合元件的简单互换性，有可能在不同的测量管类型上使用夹装式超声传感器，这是因为只需选择适合于相应测量管类型的耦合元件并将其插入夹装式超声传感器中即可。
在夹装式超声传感器的一个实施例中，可以密封来自以下列表的至少一种元件，以防止篡改：
声发射器，换能器元件，壳体，保持装置。
根据本发明的超声流量测量装置，用于根据传播时间差测量原理测量介质在测量管中的流量或体积流量，包括具有测量管轴线的测量管；
根据本发明的两个夹装式超声传感器在它们中的至少一个之后被设置在测量管上；
以及被设计成操作夹装式超声传感器的测量/操作电子设备。
在超声流量测量装置的一个实施例中，第一夹装式超声传感器沿着测量管轴线偏离第二夹装式超声传感器地被布置，
其中，在测量管壁的第一/第二区域中，在测量管壁中产生至少一个兰姆波模式使得超声信号经由第一/第二夹装式超声传感器被发射到测量管中，其中发射具有至少一个优选的发射方向，
其中，第一区域的第一发射方向指向第二区域，并且其中第二区域的第一发射方向指向第一区域，
其中，第一区域和第二区域之间的信号路径具有至少一个测量管横穿。
根据本发明的超声流量测量装置，用于根据多普勒测量原理测量介质在测量管中的流量或体积流量，包括具有测量管轴线的测量管；
被布置在测量管上的至少一个根据本发明的夹装式超声传感器；
被设计成操作夹装式超声传感器的测量/操作电子设备；
其中，在测量管壁的第三区域中，在测量管壁中产生至少一个兰姆波模式使得超声信号经由夹装式超声传感器被发射到测量管中，其中发射至少具有一个优选的发射方向。
根据本发明的夹装式超声传感器通常具有两个发射方向，这两个发射方向关于垂直于测量管轴线延伸的线基本对称地布置。在根据本发明的根据传播时间或传播时间差原理操作的超声流量测量装置中，仅夹装式超声传感器的发射方向的超声信号被用于流量测量。
附图说明
下面将参考示例性实施例说明本发明。
图1示出了通过根据本发明的夹装式超声传感器的示例性实施例的横截面。
图2示出了通过根据本发明的夹装式超声传感器的示例性实施例的横截面。
图3示出了根据本发明的耦合元件40的示例性实施例的三个视图，其中图3中a)示出了耦合元件40的几何结构的俯视图，图3中b)示出了耦合元件的侧视图，并且其中图3中c)示出了与图3中a)中所示的几何结构相对的一侧的平面图。
图4以示意图的形式示出了超声信号到测量管中的发射。
图5示出了根据本发明的具有两个夹装式超声传感器的超声流量测量装置，该装置根据传播时间或传播时间差原理进行操作。
图6示出了根据本发明的具有夹装式超声传感器的超声流量测量装置，该装置根据多普勒原理工作。
具体实施方式
图1示出了通过根据本发明的夹装式超声传感器10的横截面，该传感器包括换能器元件20，超声信号导体30，耦合元件40和保持装置50，其中保持装置50被设计成将换能器元件、超声信号导体和耦合元件固定到测量管60的测量管壁61上。换能器元件被设计成在电信号和超声信号之间进行切换。换能器元件可以是例如压电元件。由换能器元件产生的超声信号被耦合到超声信号导体30中并且传递到耦合元件40，在耦合元件40处其借助于耦合元件经由耦合元件-测量管壁边界而在测量管壁中形成至少一个兰姆波模式，该兰姆波模式导致超声信号被发射到测量管60中。相反，由通过测量管的超声信号产生的兰姆波模式通过耦合元件而耦合到超声信号导体中，该超声信号导体30将超声信号传导到换能器元件20，该换能器元件将超声信号转换成电信号。例如，保持装置50可以具有与测量管壁接触的法兰，使得夹装式夹装式超声换能器可以借助于围绕测量管60放置的夹紧带而被固定到测量管上。耦合元件40和/或超声信号导体30都可以具有至少一个凹槽(未示出)，使得耦合元件或超声信号导体可以通过至少一个鼻部(未示出)与保持装置对准。
图2示出了通过根据本发明的夹装式超声传感器10的横截面，其中加上了图1所示的夹装式超声传感器10的夹装式超声传感器具有带壳体腔71的壳体70，其中，换能器元件20，超声信号导体30和耦合元件40布置在壳体腔71中并且通过壳体70完全与周围区域隔离，使得来自周围区域的电学干扰信号对超声传感器10没有影响。与图1中所示的夹装式超声传感器相反，壳体在这种情况下可以具有至少一个凸耳(未示出)，通过该凸耳，耦合元件40和/或超声信号导体30是可通过凹槽(未示出)对准的。如图2所示，弹簧机构72可以被设计成将超声信号导体30和耦合元件40与壳体70相对地推向测量管壁61。图1和图2中所示的超声信号导体30可以由金属、塑料或陶瓷制成。
图3示出了根据本发明的耦合元件40的三个视图，其中图3中a)示出了几何结构的突起41的俯视图，图3中b)示出了耦合元件40的侧视图，并且其中图3中c)示出了耦合元件的与突起41相对的侧面43的俯视图，该侧面43与超声信号导体声学耦合。接合装置42可以被引入侧面43中，通过接合装置42，利用壳体70或保持装置50的至少一个互补的接合装置可以将耦合元件对准。突起41沿着测量管轴线的宽度及其沿着测量管轴线彼此之间的距离适合于诸如直径、壁厚或材料特性的测量管特性，从而确保在夹装式超声传感器的工作波长范围内在耦合元件40和测量管壁61之间有效的传递超声信号。突起的间距理想地对应于测量管壁61中的兰姆波模式的振荡最大值之间的距离或者距离的整数倍。这里，耦合元件可以由金属、塑料或陶瓷制成。
图4以示意图的形式概述了超声信号到测量管60中的发射，其中通过耦合元件40在测量管壁的第一区域13中形成或激励至少一个兰姆波模式。兰姆波模式在至少两个位置处的激励提供了超声信号在垂直于测量管壁的主发射方向R0中以及在至少两个关于主发射方向对称地布置的一阶次级发射方向R1.1和R1.2中的发射。取决于介质和测量管的声阻抗，还以与激光束在光栅上的衍射类似的方式发生进一步的具有更高阶的次级发射方向(不在图中)。使用在次级发射方向上发射的超声信号分量对于根据传播时间或传播时间差原理或者多普勒原理测量流量是必要的。因为在一阶次级发射方向R1.1和R1.2的方向上发射的超声信号分量与在更高阶的次级发射方向上发射的超声信号分量相比具有更高的强度，所以有利的是将在一阶次级发射方向中的一个方向上发射的至少一个超声信号分量用于流量测量。在主发射方向R0上发射并且在相对的测量管壁处反射的超声信号分量可用于声速测量。
图5示出了通过超声流量测量装置100的示意性横截面，该装置根据传播时间或传播时间差原理操作，具有根据本发明的第一夹装式超声传感器11和根据本发明的第二夹装式超声传感器12，第二夹装式超声传感器12可以布置在相同的测量管侧上或与第一夹装式超声传感器11相对的一侧上，其中在图4中示出了两种定位可能性。第一夹装式超声传感器沿测量管轴线偏离第二夹装式超声传感器12，使得在两个夹装式超声传感器之间行进的超声信号在介质流过测量管的流动方向上或逆着流动方向行进。由第一夹装式超声传感器11的换能器元件产生的超声信号在测量管60的测量管壁的第一区域13中激励形成至少一个兰姆波模式，这导致超声信号传输进入测量管60。在沿着信号路径15通过测量管之后，超声信号在测量管壁的第二区域14中激励形成至少一个兰姆波模式，从而由第二夹装式超声传感器12拾取超声信号并将其引导到第二夹装式超声传感器的换能器元件10。超声信号在测量管中的信号路径15具有至少一个测量管横穿，其中，在第二超声换能器12被布置在与第一超声传感器11相对侧上的情况下，例如在位置P1和P3处存在奇数个横穿，并且其中，在第二超声换能器12被布置在与第一超声传感器11同侧上的情况下，例如在位置P2处存在偶数个横穿。信号路径15不必限于三个横穿；因此，第二超声换能器的其他位置也是可能的。
图6示出了通过基于多普勒原理操作的超声流量测量装置100的示意性横截面，该装置具有根据本发明的第一夹装式超声传感器11。由第一夹装式超声传感器11的换能器元件产生的超声信号在测量管60的测量管壁的第一区域13中激励形成至少一个兰姆波模式，从而导致超声信号传输进入测量管60中，其中第一超声信号分量在次级发射方向R1.1上发射，并且第二超声信号分量在次级发射方向R1.2上发射。被超声信号检测到的流经测量管的介质中的异物FK导致超声信号反射回第一区域13中，在那里它激励重新形成兰姆波模式，从而反射的超声信号被第一夹装式超声传感器11吸收并且传导到第一夹装式超声传感器的换能器元件。由于介质中的异物的流量，反射的超声信号经历流量相关的频移，其中在异物朝向第一夹装式超声传感器11流动的情况下，频移处于较高频率的方向上，并且其中在异物远离第一夹装式超声传感器11流动的情况下，频移处于较低频率的方向上。图中未示出在主发射方向R0上发射的超声信号分量。
附图标记列表
10 夹装式超声传感器
11 第一夹装式超声传感器
12 第二夹装式超声传感器
13 第一区域
14 第二区域
15 信号路径
20 换能器元件
30 超声信号导体
40 耦合元件
41 几何结构的突起
42 接合装置
50 保持装置
60 测量管
61 测量管壁
62 测量管轴线
70 壳体
71 壳体腔
72 弹簧机构
100 超声流量测量装置
R0 主发射方向
R1.1/R1.2 一阶次级发射方向。
FK 异物
β 发射角
F 介质的流动方向

Claims (15)

1.一种用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器(10)，所述超声流量测量装置用于测量介质在测量管(60)中的流量或体积流量，所述夹装式超声传感器包括：
至少一个换能器元件(20)，所述至少一个换能器元件用于产生和/或检测超声信号；以及
至少一个声发射器，所述至少一个声发射器被设计成以将超声信号在测量管壁(61)中形成为至少一个兰姆波模式的方式在测量管壁(61)和换能器元件(20)之间传输所述超声信号，
其中所述声换能器在面向所述测量管(60)的一侧上具有几何结构，所述几何结构被设计成：
将所述发射器中的超声信号转换成所述测量管壁(61)中的超声信号，和/或
将所述测量管壁(61)中的超声信号转换成所述发射器中的超声信号，
其特征在于，所述声发射器包括至少一个超声信号导体(30)和至少一个耦合元件(40)，
其中所述超声信号导体(30)和所述耦合元件(40)被可拆卸地机械连接，并且
其中所述超声信号导体(30)被声学耦合到所述换能器元件(20)，并且
其中所述耦合元件(40)具有几何结构，并且被设计成声学耦合到所述测量管(60)。
2.根据权利要求1所述的夹装式超声传感器，其中，所述夹装式超声传感器还包括：具有至少一个壳体腔(71)的壳体(70)，所述换能器元件(20)被布置在所述壳体腔(71)中。
3.根据权利要求1或2所述的夹装式超声传感器，其中，所述夹装式超声传感器还包括：保持装置，所述保持装置被设置成将所述壳体(70)或所述换能器元件(20)可释放地紧固到所述测量管(60)。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述几何结构包括至少两个突起(41)，其中，在测量管轴线(62)的方向上，相邻的突起彼此之间相距一定的距离，所述距离关于超声信号的波长范围和/或关于所述测量管几何形状和/或所述测量管(60)的材料特性而被优化，以便改善所述耦合元件(40)的耦合特性。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述耦合元件(40)具有基底面积和高度，其中所述高度的平方小于所述基底面积的10％，其中所述高度的平方特别是小于所述基底面积的5％，并且其中所述高度的平方特别是小于所述基底面积的2％。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述几何结构和所述测量管(60)之间的接触区域基本上沿直线。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，在所述耦合元件(40)和所述测量管(60)之间和/或在所述耦合元件和所述超声信号导体(30)之间和/或在所述换能器元件(20)和所述超声信号导体(30)之间，布置对于所述超声信号具有适当的传递函数的层。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述耦合元件(40)能够被对准在所述壳体(70)上和/或在所述保持装置上。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述壳体(70)在所述保持装置上是可对准的。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，在所述测量管壁(61)中产生至少一个兰姆波模式导致超声信号被发射到所述测量管中，其中，所述发射具有至少一个优选的发射方向，所述发射方向关于所述测量管轴线(62)形成的角度(β)小于90°，特别是小于70°，并且优选小于60°。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，所述耦合元件(40)在所述超声信号导体(30)上是可附接并可替换的；并且其中，固定装置包括来自以下列表的至少一个元件：钩毛搭扣连接，可释放的粘性连接，带螺纹连接的翼形螺母，卡扣连接，带螺纹连接的滚花螺母，基于附着力的油脂连接或硅树脂膜，磁性连接。
12.根据前述权利要求中的至少一项所述的夹装式超声传感器，其中，能够密封来自以下列表的至少一种元件，以防止篡改：声发射器，换能器元件(20)，壳体(70)，保持装置，夹紧带，电缆。
13.一种超声流量测量装置，用于基于传播时间差测量原理测量介质在测量管(60)中的流量或体积流量，所述超声流量测量装置包括：
具有测量管轴线(62)的测量管(60)；
根据权利要求1至12中至少一项所述的根据本发明的两个夹装式超声传感器，所述夹装式超声传感器被布置在所述测量管(60)上；以及
被设计成操作所述夹装式超声传感器的测量/操作电子设备。
14.根据权利要求13所述的超声流量测量装置，
其中，将第一夹装式超声传感器(11)沿着所述测量管轴线(62)关于至少第二夹装式超声传感器(12)偏移地布置，
其中，在测量管壁(61)的第一/第二区域(13，14)中，通过所述第一/第二夹装式超声传感器(11，12)在所述测量管壁(61)中产生至少一个兰姆波模式导致超声信号被发射到所述测量管(60)中，其中所述发射具有至少一个优选的发射方向，
其中，所述第一区域(13)的第一发射方向指向所述第二区域(14)，并且其中，所述第二区域的第一发射方向指向所述第一区域，
其中，所述第一区域和所述第二区域之间的信号路径具有至少一个测量管横穿。
15.一种超声流量测量装置，用于根据多普勒测量原理测量介质在测量管(60)中的流量或体积流量，所述超声流量测量装置包括：
具有测量管轴线(62)的测量管(60)；
根据权利要求1至13中至少一项所述的根据本发明的至少一个夹装式超声传感器，所述夹装式超声传感器被布置在所述测量管(60)上；以及
被设计成操作所述夹装式超声传感器的测量/操作电子设备，
其中，在所述测量管壁(61)的第一区域中，通过所述夹装式超声传感器在所述测量管壁(61)中产生至少一个兰姆波模式导致超声信号被发射到所述测量管(60)中，其中所述发射具有至少一个优选的发射方向。
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