CN110383013B

CN110383013B - 超声流量计

Info

Publication number: CN110383013B
Application number: CN201880016082.5A
Authority: CN
Inventors: 帕纳约蒂斯·帕帕萨纳修; 米哈尔·贝兹杰克; 维韦克·库马尔; 奥利弗·贝尔贝里戈
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2038-02-15
Also published as: EP3376177B1; US20200072649A1; CN110383013A; EP3376177A1; WO2018166742A1; US10895479B2

Abstract

本发明涉及一种超声流量计(1)，包括具有测量管壁(21)和延伸到所述测量管壁(21)的外侧的至少一对壳体(22)的测量管(20)；一对超声换能器(10)，各自具有用于生成和/或感测超声脉冲的转换元件(14)和换能器主体(13)，其中，所述壳体(22)中的每个被布置为用于容纳所述换能器(10)中的一个，并且其中，所述壳体具有第一内径(D1)；其中，所述换能器主体(13)包括圆周表面(12)，并且其中所述换能器主体包括端面(11)，其中，所述端面具有第二直径(D2)，其中，所述换能器包括从所述圆周表面(12)突出到所述换能器主体(13)与所述壳体(20)之间的间隙中的至少一个第一突起(P1)。

Description

超声流量计

技术领域

本发明涉及一种用于测量通过测量管的介质的流速或体积流量的超声流量计。

背景技术

例如专利申请WO2014012707A1描述了这样一种超声流量计，其中将超声换能器安装在测量管内，以便生成和/或感测沿着通过所述测量管的路径发送到感测换能器的超声脉冲。通过所述测量管的介质的流量根据所述介质的流速和流动方向来影响所述脉冲在所述生成换能器和所述感测换能器之间的行进时间。考虑到从慢速介质到快速介质的流动范围，对于任何流量计来说重要的是测量流量和真实流量之间的良好线性。不幸的是，存在使得难以实现所述线性的若干种干扰效应。尤其地成问题的是换能器周围的区域，因为所述换能器的块和凸起以及所述换能器的外壳可能导致靠近换能器的所述介质的涡流，使得超声脉冲的行进时间可能受到严重影响。除此之外，所述涡流对所述脉冲的行进时间的影响还示出了与流速的复杂相关性。本发明要解决的问题是减小所述涡流对所述超声脉冲行进时间的影响。

发明内容

该问题是通过本申请所述的超声流量计来解决的。

根据本发明的用于测量流动通过测量管的介质的流量的超声流量计包括：

测量管，所述测量管具有用于引导所述介质的测量管壁以及延伸到所述测量管壁的外侧的至少一对壳体；

至少一对超声换能器，所述至少一对超声换能器的每个具有用于生成和/或感测超声脉冲的转换元件和包含所述转换元件的换能器主体，其中，所述超声脉冲沿路径在所述换能器之间行进，其中，在所述一对换能器之间延伸的路径的至少一个子路径不平行于所述测量管的测量管轴；

电子电路，所述电子电路用于操作所述超声换能器和用于评估感测到的超声脉冲；

其中，所述壳体中的每个被布置为容纳所述换能器中的一个，并且其中，所述壳体包括内表面和第一纵轴以及与所述第一纵轴正交的第一内径；

其中，所述换能器主体包括圆周表面和第二纵轴，并且其中，所述换能器包括可暴露于所述介质的端面，其中，所述端面被设置用于在所述转换元件和所述介质之间传递所述超声脉冲，反之亦然，并且其中，包括所述换能器主体的所述端面的所述换能器的第一区段具有与所述第二纵轴正交的最大第二直径，

并且其中，所述壳体至少部分地包围所述圆周表面，

其中，所述换能器包括从所述圆周表面突出到所述换能器主体和所述壳体之间的间隙中的至少一个第一突起，其中，所述第一突起的高度小于所述间隙的宽度，和/或其中，所述壳体包括从所述圆周表面突出到所述间隙中的至少一个第二突起，其中，所述第二突起的高度小于所述间隙的宽度。

当所述路径的所述第一和/或最后一个子路径与所述测量管轴偏斜时，该特征防止围绕换能器的旋转流动。在这种情况下，所述壳体和所述换能器相对于所述测量管的不对称分配导致所述间隙中的旋转流动，该旋转流动延伸到所述端面前方的区域，从而在所述端面前方产生介质的涡流。借助于所述第一突起抑制所述涡流改善了所述超声流量计的测量性能。

在所述超声流量计的实施例中，所述第一突起的高度为所述间隙的所述宽度的至少20％，并且尤其是至少40％。为了为所述旋转流动提供阻力，所述第一突起的高度必须越过最小值。

在所述超声流量计的实施例中，所述第二突起的高度为所述间隙的所述宽度的至少20％，并且尤其是至少40％。为了为所述旋转流动提供阻力，所述第二突起的高度必须越过最小值。

在所述超声流量计的实施例中，所述第一突起的定位与所述第二突起的定位切向地偏移。利用该特征，迫使旋转流动进行Z字形运动，从而进一步增加对旋转流动的阻力。

在所述超声流量计的实施例中，所述第二直径与所述第一直径的比率在第一区间I1或第二区间I2内，其中所述区间不重叠，

其中，所述第一区间的上边界小于1并且其中所述第一区间的下边界大于至少0.87并且尤其是至少0.90并且优选地至少0.95，

并且其中，所述第二区间的上边界大于0.1，并且其中，所述第二区间的下边界小于0.62，并且尤其是小于0.55，并且优选地小于0.52。

建立这种比率的优点是将在所述壳体和所述测量管的边缘处产生的介质的涡流放置在所述端面的所述端面旁边的上游。因此，取决于所述介质的流速以及所述涡流对所述超声脉冲的行进时间的影响的所述涡流的复杂行为是有限的。已经发现的是，当将所述比率布置在所述第一区间或第二区间内时，涡流与所述端面充分地被间隔开。

所述转换元件可以是压电元件。

所述换能器主体可以由以下材料中的一种或多种制成：

钢、氧化铝、钛、镁、玻璃、包含镍和/或钼和/或铜的合金。

在所述超声流量计的实施例中，所述路径的第一和/或最后一个的子路径与所述测量管轴偏斜。

在所述超声流量计的实施例中，所述第一纵轴和所述第二纵轴彼此平行。

在所述超声流量计的实施例中，所述换能器主体相对于所述第二纵轴轴向地对称。

在所述超声流量计的实施例中，所述内表面为圆柱形。

在所述超声换能器的实施例中，所述测量管的制造包括焊接和/或铸造。

在所述超声流量计的实施例中，所述流量计包括多个所述一对壳体和所述一对换能器。

在所述超声流量计的实施例中，所述流量计被设置用于基于测量在所述介质向上游行进的超声脉冲的传播时间和所述介质向下游行进的超声脉冲的传播时间的差，进行流量测量，

并且其中，在所述介质沿所述测量管轴的流速的范围内，实际流量和测量流量之间的关系基本上遵循所述实际流量的线性函数。

在所述超声流量计的实施例中，所述范围的下限小于10m/s，并且尤其是小于5m/s，并且优选地小于2.5m/s，和/或其中所述范围的上限大于20m/s，尤其是大于30m/s，优选地大于40m/s。

在所述超声流量计的实施例中，所述测量流量与所述线性函数的偏差小于所述实际流量的3％，尤其是小于1.5％，优选地小于0.5％。

附图说明

下面借助于示例性实施例来描述本发明。

图1示出了根据本发明的具有一对超声换能器的超声流量计的横截面。

图2.1-图2.4示出了包括所述换能器的端面的根据本发明的超声换能器主体的第一区段的轮廓。

图3从如图1所示的方向A示出了根据本发明的超声换能器的前视图。

图4.1和4.2描绘了具有一个或两个信号子路径的不同信号路径。

具体实施方式

图1示出了超声流量计1的示意性简化纵向截面，该超声流量计1包括测量管20，各自具有第二纵轴L2的一对超声换能器10，这些超声换能器10各自被放置在壳体22中，这些壳体被包括在测量管中，其中每个壳体22具有第一纵轴L1。壳体具有第一内径D1，并且在包括端面11的区域中的所述超声换能器10的换能器主体13在包括所述端面11的区域中具有最大第二直径D2，端面11暴露于流动通过所述测量管的介质。所述壳体22的朝向在所述超声换能器10的所述端面11的上游的所述测量管20的开口的流动断开边缘可以引起位于所述端面前面的所述介质的第一涡流，其中该第一涡流的旋转轴大致垂直于所述壳体的第一纵轴。在所述第一涡流位于所述端面前面的情况下，由所述超声换能器的转换元件(参见图2.1和2.4，例如压电换能器)生成的并由所述端面传送到所述介质中的超声脉冲将受到影响。以类似的方式，沿着从一对超声换能器中的生成超声换能器到感测超声换能器的路径传播的超声脉冲将受到所述感测超声换能器10的所述端面11前面的第一涡流的影响。为了避免所述第一涡流位于所述端面的前面，证明有利的是在第一区间I1或第二区间I2内建立所述第二直径与所述第一直径的比率，其中所述区间不重叠，其中所述第一区间的上边界小于1，并且其中所述第一区间的下边界大于至少0.87，并且尤其是至少0.90，并且优选地至少0.95，并且其中所述第二区间的上边界大于0.1，并且其中所述第二区间的下边界小于0.62，并且尤其是小于0.55，并且优选地小于0.52。利用所述区间I1或I2内的比率，所述第一涡流与所述端面11充分间隔开。典型的超声换能器10具有在5毫米和16毫米之间的第二直径D2。仅在换能器10中的一个处示出的附图标记也适用于其它换能器10。

在一个实施例中，所述换能器主体相对于所述第二纵轴L2对称和/或所述壳体相对于所述第一纵轴遵循圆柱形形状。

在图1中，一对换能器中的所述超声换能器10彼此面对，使得所述超声脉冲的所述路径仅包括一个子路径。然而，所述超声流量计不限于这种方式，所述超声脉冲的路径可以是包括若干子路径的更复杂的路径，所述子路径可以与所述测量管轴偏斜，或者与所述测量管轴垂直或相交(intercepting)。如果所述路径包括多个子路径，其中第一和/或最后一个子路径与所述测量管轴偏斜，则关于所述第一突起P1和所述第二突起P2的考虑也是有效的。

在第一或最后一个子路径与测量管轴偏斜的情况下，到所述壳体22的开口的进入流动将是不对称的，使得更靠近于所述测量管轴的流动部分的流速高于更远离所述测量管轴的流动部分的流速。因此，在所述换能器主体13的圆周表面12和至少部分包围所述圆周表面的所述壳体之间的间隙内侧，可以引起旋转流动。所述旋转流动可以延伸到包括所述端面11的所述区域中，产生具有旋转轴的第二涡流，该旋转轴大致垂直于影响所述超声脉冲的所述端面11。为了抑制所述第二涡流的产生，所述换能器主体13至少包括突出到所述间隙中的第一突起P1和/或所述壳体20至少包括突出到所述间隙中的第二突起P2，所述突起增加用于所述间隙内的所述旋转流动的流阻。在所述超声流量计1包括至少一个第一突起和至少一个第二突起的情况下，所述第一突起的定位与所述第二突起的定位切向地偏移。利用该特征，迫使所述旋转流动在所述间隙内进行Z字形运动，从而进一步增加了旋转流动的阻力。

不必同时安装所讨论的用于避免所述第一涡流位于所述端面11前面和用于抑制所述第二涡流位于所述端面11前面的应用两者。在不需要建立所述第二直径D2与所述第一直径D1的某一比率的情况下，根据本发明的所述超声流量计1可以仅包括至少一个第一突起和/或至少一个第二突起。

可以将所述壳体20焊接到所述测量管上。然而，可以通过铸造同时制造测量管和所述壳体20。

所述超声流量计1还包括电子电路80，用于操作所述超声换能器和用于评估感测到的超声脉冲，其中所述电子电路80经由电缆连接(未示出)连接到所述换能器。

所述超声流量计1可以包括若干个一对换能器10，用于利用若干超声脉冲路径测量所述介质的流量。所述路径不必具有类似的形状。

图2.1-图2.4示出了包括所述换能器主体13的所述端面11的根据本发明的示例性超声换能器10的所述第一区段S1的更详细的纵向截面。

图2.1示出了包括所述超声换能器主体13的所述第一区段S1，其中所述圆周表面12的径向延伸在前部随着距所述端面11的距离增加而减小，使得所述换能器主体在所述前部内包括圆锥形截面。根据本发明的超声换能器可以包括围绕所述换能器主体13的一个或多个阻尼环，如两个圆形所示。所述换能器主体13可以包括用于容纳所述转换元件14的腔室。随着到所述端面11的距离增加，所述换能器主体13还可以包括一个或多个加宽部。与所述第二直径D2的确定相关的是，在所述超声换能器10的包括所述端面11的从所述端面11起沿所述第二纵轴L2在小于所述第一直径D1的两倍并且优选地小于D1的范围内的区域内的所述换能器的最大直径。D2是所述范围内换能器的最大直径。在描绘的实施例的情况下，所述第二直径D2是所述加宽部的直径。在其中所述加宽部具有比所述腔室更小的径向延伸的另一实施例中，由所述腔室的径向延伸确定第二直径D2。在另一个实施例中，可以由所述阻尼环或由所述端面11确定所述第二直径D2。

图2.2示出了如图2.1所示的所述超声换能器主体13的所述前部的可替选实施例，其中所述圆周表面12的径向延伸在截面中随着距所述端面11的距离增加而减小，其中该减小是非线性的。

图2.3示出了如图2.1所示的所述超声换能器主体13的所述前部的可替选实施例，其中所述圆周表面12的径向延伸主要地是恒定的。

图2.4示出了具有用于容纳如图2.1所示的所述换能器元件的腔室的所述超声换能器的另一实施例的第一区段，所述超声换能器还包括保护套筒和密封/阻尼元件，其中所述超声换能器主体13至少部分地被所述保护套筒包围，其中所述密封/阻尼元件被布置以便将所述腔室与所述介质密封。与图2.1中所讨论的所述超声换能器的实施例类似，与所述第二直径D2的确定相关的是，从所述端面11起在小于所述第一直径D1的两倍并且优选地小于D1的范围内的所述换能器的最大直径。D2是所述范围内换能器的最大直径。在描绘的实施例的情况下，所述第二直径D2是所述保护套筒的最大外径，使得所述圆周表面是所述保护套筒的表面。

图3从如图1所示的方向A示出了根据本发明的超声换能器的简化前视图，其中示出了所述超声换能器的所述端面11、所述换能器10的四个第一突起P1和所述壳体20的四个第二突起P2，并且其中所述第一突起P1的定位与所述第二突起P2的定位切向地偏移。在所述圆周表面12上放置第一突起。

第一突起和/或第二突起的高度为所述间隙的所述宽度的至少20％，特别是至少40％。这对于具有任何数目的第一突起P1和第二突起P2的超声流量计也是有效的。在气态介质的情况下，有利的是，所述突起具有小于所述间隙的所述宽度的90％的高度，以便避免由于在所述突起的边缘处由于所述介质或所述介质的组分的凝结而形成液滴而导致的所述换能器主体和所述壳体之间的耦合。有利的是，所述第一突起P1彼此之间的切向距离基本上是恒定的。有利的是，所述第二突起P2彼此之间的切向距离基本上是恒定的。该间隙被测量管壁21包围。

如图2.4所描绘，所述超声换能器可以包括保护套筒。在这种情况下，所述端面11的径向延伸限于虚线圆，使得所述圆周表面是所述保护套筒的表面。

在缺少所述保护套筒的情况下，至少一个第一突起被放置在所述第一区段内并且优选地被放置在所述腔室的外侧上。

在提供所述保护套筒的情况下，所述至少一个第一突起被放置在所述保护套筒的外侧上。

然而，根据本发明的超声换能器不必同时需要第一突起和第二突起二者。这种超声换能器还可以仅包括第一突起，或第二突起，或根本不包括突起。

申请人提到的是，图1至2.4中示出的几何尺寸仅仅是示意性的，而不能用于限制本发明的目的。

因此，如图1、图2.1-图2.4、图3的描述中示出的本发明涉及避免所述超声脉冲路径中的干扰涡流。对于超声流量计，重要的是实际流量和测量流量之间的关系在流量范围内基本上是线性的，其中所述流量范围的下限小于10m/s，尤其是小于5m/s并且优选小于2.5m/s，以及/或者其中所述范围的上限大于20m/s，尤其是大于30m/s，并且优选大于40m/s。

如果所述测量流量与所述线性函数的偏差小于所述实际流量的3％，尤其是小于1.5％，并且优选小于0.5％，则其是有利的。所述第二直径D2与所述第一直径D1和/或所述第一突起P1和/或所述第二突起P2的所述比率的应用有助于获得在所述流量范围内的所述测量流量与所述实际流量的所述绝对偏差和所述实际流量之间的基本上线性关系，其中所述流量计被设置用于基于测量在所述介质向上游行进的超声脉冲的传播时间与在所述介质向下游行进的超声脉冲的传播时间的差，进行流量测量。

图4.1和图4.2描绘了一对换能器之间的具有一个或两个信号子路径的不同信号路径，其中图4.1示出了所述信号路径的正面投影，并且其中图4.2示出了所述信号路径的侧面投影。

图4.1描绘了三个信号路径，其中第一信号路径是一对超声换能器之间的直接信号路径，使得所述信号路径是第一子路径和最后一个子路径，其中所述信号与所述测量管轴偏斜。第二信号路径还是越过所述测量管轴23的直接路径。第三信号路径包括生成换能器和反射元件之间的第一子路径以及所述第二元件和接收换能器之间的第二子路径。反射元件可以是所述测量管壁或在所述测量管壁上安装的反射镜。可以扩展信号路径，使得其包括两个以上的信号子路径。

图4.2描绘了越过测量管轴的直接子路径和包括在反射元件处被反射一次的两个子路径的信号路径的侧面投影，所述反射元件可以是所述测量管壁或在所述测量管壁上安装的反射镜。

附图标记

1 超声流量计

10 超声换能器

11 端面

12 圆周表面

13 换能器主体

14 转换元件

20 测量管

21 测量管壁

22 壳体

23 测量管轴

80 电子电路

D1 第一直径

D2 第二直径

P1 第一突起

P2 第二突起

L1 第一纵轴

L2 第二纵轴

A 正视图的方向

S1 第一区段

Claims

1.一种超声流量计(1)，所述超声流量计(1)用于基于行进时间差原理测量流动通过测量管的介质的流量，所述超声流量计(1)包括：

测量管(20)，所述测量管(20)具有用于引导所述介质的测量管壁(21)和延伸到所述测量管壁的外侧的至少一对壳体(22)；

至少一对超声换能器(10)，所述至少一对超声换能器(10)中的每个具有用于生成和/或感测超声脉冲的转换元件(14)和包含所述转换元件的换能器主体(13)，其中，所述超声脉冲沿路径在所述超声换能器之间行进，其中，在所述一对超声换能器之间延伸的路径的至少一个子路径不平行于所述测量管(20)的测量管轴；

电子电路(80)，所述电子电路(80)用于操作所述超声换能器和用于评估感测到的超声脉冲；

其中，所述壳体(22)中的每个被布置为用于容纳所述超声换能器(10)中的一个，并且其中，所述壳体(22)包括内表面和第一纵轴(L1)以及与所述第一纵轴正交的第一直径(D1)；

其中，所述换能器主体(13)包括圆周表面(12)，

并且其中，所述换能器主体(13)包括第二纵轴(L2)，并且其中，所述超声换能器(10)包括可暴露于所述介质的端面(11)，其中，所述端面(11)被设置用于在所述换能器元件(14)和所述介质之间传递所述超声脉冲，反之亦然，并且其中，包括所述换能器主体的所述端面的所述换能器的第一区段(S1)具有与所述第二纵轴(L2)正交的最大第二直径(D2)，

并且其中，所述壳体至少部分地包围所述圆周表面(12)，

其特征在于：

所述超声换能器包括从所述圆周表面(12)突出到所述换能器主体(13)和所述壳体(22)之间的间隙中的至少一个第一突起(P1)，其中，所述第一突起(P1)的高度小于所述间隙的宽度，

和/或

所述壳体包括从所述圆周表面突出到所述间隙中的至少一个第二突起(P2)，其中，所述第二突起的高度小于所述间隙的宽度；

其中，所述第一突起的高度是所述间隙的所述宽度的至少20％，其中，所述第二突起的高度是所述间隙的所述宽度的至少20％。

2.如权利要求1所述的超声流量计，

其中，所述第一突起的高度是所述间隙的所述宽度的至少40％，并且所述第二突起的高度是所述间隙的所述宽度的至少40％。

3.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述第一突起的定位与所述第二突起的定位切向地偏移。

4.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述第二直径(D2)与所述第一直径(D1)的比率在第一区间(I1)或第二区间(I2)内，其中，所述第一区间和第二区间不重叠，

其中，所述第一区间的上边界小于1并且其中所述第一区间的下边界大于至少0.87，

并且其中，所述第二区间的上边界大于0.1，并且其中，所述第二区间的下边界小于0.62。

5.如权利要求4所述的超声流量计，

其中，所述第一区间的下边界大于至少0.90，

并且其中，所述第二区间的下边界小于0.55。

6.如权利要求5所述的超声流量计，

其中，所述第一区间的下边界大于至少0.95，

并且其中，所述第二区间的下边界小于0.52。

7.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述路径的第一和/或最后一个子路径与所述测量管轴偏斜。

8.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述第一纵轴(L1)和所述第二纵轴(L2)彼此平行。

9.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述换能器主体相对于所述第二纵轴轴向地对称。

10.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述内表面遵循圆柱形形状。

11.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述测量管的制造包括焊接和/或铸造。

12.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述流量计(1)包括多个所述一对壳体和所述一对超声换能器。

13.如权利要求1或2所述的超声流量计，

其中，所述流量计(1)被设置用于基于测量所述介质向上游行进的超声脉冲的传播时间与所述介质向下游行进的超声脉冲的传播时间的差，进行流量测量，

14.如权利要求13所述的超声流量计，

其中，所述流速的范围的下限小于10m/s，和/或其中所述流速的范围的上限大于20m/s。

15.如权利要求14所述的超声流量计，

其中，所述流速的范围的下限小于5m/s，和/或其中所述流速的范围的上限大于30m/s。

16.如权利要求15所述的超声流量计，

其中，所述流速的范围的下限小于2.5m/s，和/或其中所述流速的范围的上限大于40m/s。

17.如权利要求13所述的超声流量计，

其中，所述测量流量与所述线性函数的偏差小于所述实际流量的3％。

18.如权利要求17所述的超声流量计，

其中，所述测量流量与所述线性函数的偏差小于所述实际流量的1.5％。

19.如权利要求18所述的超声流量计，

其中，所述测量流量与所述线性函数的偏差小于所述实际流量的0.5％。