CN110553690B - 流体测量装置和用于流体测量装置的流体测量模块及组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体测量装置，具有：壳体，在壳体中形成用于待测流体的穿流通道以及至少一个伸长的模块容纳开口，其构成从所述壳体的外侧面到所述穿流通道的通路。模块容纳开口沿穿流通道定向。设有至少一个与壳体分开预制的流体测量模块，其具有构造为用于表面声波的波导的底部部段以及至少一个信号变换器，其设计为在波导中激发表面声波和/或接收来自波导的表面声波。流体测量模块插入到模块容纳开口中，使得流体测量模块的底部部段构成穿流通道的内壁的部段，该部段与穿流的流体形成直接接触，从而由信号变换器发射的表面声波能由波导耦合输出且能作为体声波传播经过穿流通道中的流体和/或体声波能耦合输入到波导中和由信号变换器接收。

Description

流体测量装置和用于流体测量装置的流体测量模块及组件
技术领域
本发明涉及一种流体测量装置和用于流体测量装置的流体测量模块以及由流体测量装置的壳体和流体测量模块组成的组件。
背景技术
在许多设备中需要确定流体的流量。能够确定流过设备的流体的其它特性常常也是有利的。为此目的，将流体测量装置插入到设备的流体管道中，即如下机构，借助于所述机构能够测量流动的流体的流量或还有其它特性。
所使用的流体测量装置应设计为尽量紧凑和鲁棒，因而需要小的空间和尽可能不需要维修。此外有利的是，所述流体测量装置能够通用地插入，并且尤其能够使用不同的流体或者也能够确定不同的特性。
一种良好地适用于这种任务的测量方法是使用表面声波，这种表面声波在声波波导中被激发并且部分耦合输出到流体中，然后从流体再次耦合输入到波导中。在测量过程中，流体与波导直接接触。选择表面波的类型和频率，以便作为纵向体积声波部分耦合输出到流体中。这些声波通过流体并因此在限制流体的表面上反射，使得它们在波导上再次相遇。在那里，一部分体积声波再次作为表面声波在同一个波导或另一个波导中再次耦合输入，并在这一波导中进一步传播。通过这种方式，在声波接收器上得到特征信号，该接收器与发射器间隔地设置在波导上，该特征信号的时间强度曲线(包括相对于发射器发射的信号的时间延迟)允许推导出所述流体的特性，例如声速、温度、均匀性、流速、流量、流量体积、密度、多相流的组成、浓度或粘度。
该测量方法特别适用于液体，但也适用于均匀或不均匀性质的高粘度的，面团状的，凝胶状或糊状流体，包括生物样品。还可以想到使用气态流体，在这种情况下，必须考虑与液体明显不同的声速。如果流体流过测量装置，则也可以检测流体的时间变化。
所述体积声波在流体中的空间传播例如由以下方式实现：所述体积声波以相对于波导的表面法线的角度δ耦合输出到流体中。该关系可以通过以下公式描述：
其中，cM是体积声波在流体内部的声速；cS是沿波导传播的表面声波的声速。
在最常见的情况下，所述流体中的声速小于所述波导中的表面波的声速，声波以非零角度耦合输出，并且所述体积声波(可能在流体内多次反射)沿波导返回一定空间距离。
在已知的机构中，发射器和接收器固定在相应波导的与流体相对侧的边界面之一上。为了能够将在波导的这一侧上激发的表面声波耦合输入到流体中，因此优选地激发兰姆波，即波长基本上长于发射器和流体之间的波导的厚度的波。在这种情况下，波导的顶部和底部都移动，振动也具有纵向分量。因此，这种类型的激发适合于耦合输出体积声波。还可以按照波导厚度的数量级选择激发的表面声波的波长，在这种情况下，激发在兰姆波和瑞利波之间的过渡区域中的表面波。
现有技术中迄今描述的机构按照上述原则工作，在制造和维护方面结构复杂且成本过高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种流体测量装置，其结构紧凑且鲁棒，但仍可灵活地插入，以表面声波的原理为基础。
这个目的利用根据本发明的流体测量装置实现。所述流体测量装置具有壳体，在所述壳体中构造用于待测流体的穿流通道以及至少一个伸长的模块容纳开口，其中，所述模块容纳开口构成从所述壳体的外侧面到所述穿流通道的通路。所述模块容纳开口沿所述穿流通道定向。此外，所述流体测量装置包括至少一个与所述壳体分开预制的流体测量模块，所述流体测量模块具有构造为用于表面声波的波导的底部部段，以及至少一个信号变换器，所述信号变换器设计为在所述波导中激发表面声波和/或接收来自所述波导的表面声波。所述流体测量模块插入到所述模块容纳开口中，使得所述流体测量模块的底部部段构成所述穿流通道的内壁的部段，其与穿流的流体形成直接接触，以致于由所述信号变换器发出的表面声波由所述波导耦合输出，并且能够作为体积声波传播经过所述穿流通道中的流体，和/或体积声波能耦合输入到所述波导中和由所述信号变换器接收。
因为模块式结构类型，所述流体测量模块允许与其余流体测量装置分开制造，并且能够比完全预制的构件简单地从外部插入到已经制造完成的壳体的模块容纳开口中。这简化了所述流体测量模块的制造并且也实现了所述流体测量模块的简单替换，由此允许所述流体测量装置的生命周期延长。
所述波导在这里封闭在所述壳体中存在的所述穿流通道的壁中的空隙。因此，不需要形成穿过唯一流体测量模块的波导的整个穿流通道。
此外，除了波导之外，所述流体测量装置的所有壳体构件有利地设置在它们的壳体中，使得所述流体测量模块可以减少到用所述流体测量模块测量所需的基本构件。因此，所述流体测量模块也有利地设计为使得其仅可以与所述流体测量装置的壳体一起使用并且不构成独立的测量仪器。
所述穿流通道的内壁，包括由波导形成的部段，可以连续光滑地构成，并且完全由相对于待测流体耐腐蚀材料形成。所述波导优选地总是由与所述穿流通道的其余壁相同的材料制成。这得到一致的表面，即使所述波导不是所述流体测量装置的壳体的一件式的部件。
不言而喻地，所述流体测量模块应当沿着所述模块容纳部的环周相对于流体密封，使得在所述流体测量模块的区域中没有流体能意外离开所述穿流通道。
所述壳体能够在上游端部和下游端部各具有固定结构，例如法兰，这如从其它流体测量装置已知，通过所述固定结构，所述流体测量装置可连接到流体管道的邻接的部段上。因此，所述流体测量装置能够简单且快速地集成到现有的设备中。
所述穿流通道优选沿着所述流体的穿流方向直线运动，并且尤其在所述波导的区域中构成直线测量路段，以便能够实现尽量准确的测量。
所述穿流通道在围绕所述穿流方向的环周方向上封闭地构成。总体上提出，流体在设备中在预定路径上通过流体测量装置从流体入口流到流体出口，但所述流体测量装置的引导流体区域不与流体接触。
从制造技术角度来看，有利的是，在所述流体测量模块的朝向所述穿流通道的外侧上平坦地形成所述流体测量模块的底部部段，所述外侧表示相对于流体的边界面。
在所述模块容纳开口的区域中，所述穿流通道的横截面形状(在垂直于流体穿流方向的平面中观察)可任意选择，然而优选多边形的，尤其是长方形的、正方形的、六边形的或者八边形的横截面。这允许将波导在其朝向穿流通道的外侧上构成为平坦的面，其构成所述穿流通道的截面的多边形面中的一个。
还可想到，构造具有连续曲率的所述波导的朝向所述穿流通道的外侧，然而应避免陡峭的台阶。
所述穿流通道通常由流体入口和流体出口限定，所述流体入口和流体出口可以与壳体上的固定结构连接。优选地，在所述流体入口和/或所述流体出口处设置用于影响沿穿流方向的流速的元件。例如，如果所述穿流通道具有比所述流体入口和/或所述流体出口更小的横截面，则可以在所述流体入口处布置收缩器(Konfusor)和/或在流体出口处布置扩散器，以便在进入所述穿流通道时增加流速和/或在离开所述穿流通道时再次减小流速。在小流量时，所述流速的增加伴随着测量精度的提高。
所述流体测量装置优选设计为，使得沿着穿流方向从流体入口到流体出口以流体穿流以及沿相反方向以流体穿流都是可行的，因此流体入口和流体出口可互换其功能。
所述模块容纳开口垂直于所述穿流方向与所述流体通道相比能够大致更宽，以致在从所述流体通道到所述模块容纳开口的过渡部中构成凸肩，所述底部部段的边缘可位于所述凸肩上，并且所述凸肩可用于布置所述流体测量模块和所述穿流通道之间的密封件。
在优选实施方式中，在所述壳体中设置至少一个另外的模块容纳开口，其优选构造在所述穿流通道的与第一模块容纳开口相对的侧上。
第二流体测量模块可插入到所述另外的模块容纳开口中，其中，在两个流体测量模块中所述信号变换器的位置沿着所述穿流通道的穿流方向有利地不同。在这种情况下，所述流体测量模块中的每个流体测量模块必须仅具有唯一的信号变换器，其中相应地所述信号变换器中的一个作为发射器工作，另一个作为接收器工作。这些功能在这里优选交替地执行，其中发射器和接收器按照预定模式交换它们的角色。
但原则上，任意合适数量的信号变换器可设置在所述流体测量模块的每一个中。
在所述另外的模块容纳开口中也可插入反射器，例如呈波导的形式，在所述反射器上不布置信号变换器。
在另一变型中，另一个测量模块，特别是分析模块，可以容纳在所述另外的模块容纳开口中，用于检测另外的测量参数。与流体模块一样，所述分析模块优选地也是分开预制的构件，其仅需要从外部插入到所述模块接收开口中以安装在所述流体测量装置上并固定在那里。所述分析模块以流体密封的方式封闭相应的模块容纳开口。
所述分析模块例如能够设计为测量导电率、pH值、诸如氯的化学物质的浓度、流体的浊度、流体的氧化还原电势、温度和/或压力或任何其它参数，特别是与流体有关的参数。
通过所述分析模块获得的测量数据一般补充通过所述流体模块获得的数据，其中所述分析模块通常设计为：确定通过用表面声波评估所述测量不能得到或仅能困难得到的参数。
原则上，在所述壳体的所有侧上(关于垂直于所述穿流方向的横截面)可以设置模块容纳开口，根据对所述流体测量装置的要求，一个或多个流体测量模块和/或一个或多个必要时设计用于不同测量参数的分析模块插入到所述模块容纳开口中。不需要的模块口可以通过反射器覆盖。
所述壳体可以有利地一件式制造，以避免额外的安装耗费并实现高的精度。因此，所述壳体可以设计为由合适材料制成的一件式的体，其具有穿流通道、流体入口、流体出口、模块容纳开口以及必要时另外的流体管道和/或其它几何结构。所述流体测量装置的所有电子构件以及所述波导可以设置在插入到所述模块口中的流体模块上，或者也可以设置在插入到所述壳体中的另外的分开预制的构件上。这允许模块化结构类型，其中所述壳体上的单个流体模块和分析模块可从外部触及并且可非破坏性地更换。
在所述壳体中可设置凹部，所述凹部具有通到所述模块容纳开口的缆线穿引部，并且引导各流体测量模块的电气和/或电子的连接缆线，以提供用于所述流体测量模块的从所述流体测量装置的外部可接触的接口。
在优选实施例中，提供了一种阀，通过所述阀可以调整流过所述穿流通道的流体流，其中所述壳体在所述穿流通道和所述阀之间以及所述阀和所述流体入口或所述流体出口之间具有流体引导通道。通过这种方式，(与所述壳体和所述流体测量模块分开形成的)阀仅须放置在所述壳体上，并且如果需要也可以更换。所述流体端口可以完全在壳体中提供。在这种情况下，所述穿流通道和所述流体管道可以形成在壳体的实心的一件式的部段中。在此，所述壳体当然可以适应于流量测量装置应插入其中的设备的要求。
所述流体测量装置形成优选地包括所述阀和控制和评估电子装置以及所有可能设置的流体和/或分析模块在内的唯一的构件，其可以经由在流体入口和流体出口处的固定结构安装在设备中。
还可能的是，所述流体测量装置运行以执行流量控制，其中考虑由所述流体模块和/或分析模块确定的测量值。用于所述阀的控制信号能够由集成到所述流体测量装置中的或外部的控制器提供。
优选地，所述流体测量装置具有用于与外部系统交换数据的或者用于连接到网络的电子接口。通过所述接口还可以实现整个流体测量装置以及所有构建在其上的流体测量模块和/或分析模块的能源供给。所述接口可以是分开预制的构件，其从外部插入到构造在壳体上的容纳部内。
上述目的还利用根据本发明的流体测量模块实现。所述流体测量模块尤其是如上所述的流体测量装置的流体测量模块。所述流体测量模块具有模块壳体，所述模块壳体具有构造为用于表面声波的波导的底部部段和至少一个直接与所述底部部段连接的信号变换器，所述信号变换器设计为在波导中激发表面声波和/或从所述波导接收的表面声波。所述波导被设计为在背离所述模块壳体的内部空间的外侧上与流体进行表面接触。所述流体测量模块设计为不单独使用，而是始终与所述流体测量装置的上述壳体一起使用。特别地，所述流体测量模块的底部部段不构成完整的穿流通道，并且在插入到所述流体测量装置的壳体中之后，仅实现所述流体测量装置的穿流通道的一个部段。
所述流体测量模块可以设计为独立单元，即，所有的对测量必需的测量机构，如信号变换器和波导以及可能还有的其它构件，如温度传感器，可以集成到所述流体测量模块中，使得所述流体测量模块优选不需要与所述流体测量模块分开地布置在所述流体测量装置上的测量机构，用于由其执行测量。因此，所述流体测量装置可以灵活地配备特定的流体测量模块。也可以想到更换例如所述流体测量装置中的有缺陷的流体模块。所述流体测量模块本身在任何情况下都不被流体穿流，而只是在所述波导的外侧上与流体形成接触，使得所述波导的外侧构成相对于流体的边界面和所述穿流通道的内壁的部段。所述流体测量模块的其余区域不与流体接触。
在流体测量模块中仅设置唯一的信号变换器的情况下，在流体测量模块上有利地使用两个相互协作的流体测量模块。如果在流体测量模块中设置两个信号变换器，则也可以借助于唯一的流体测量模块进行测量。
一个或多个所述信号变换器优选地构成为压电转换器，例如叉指式换能器，并且特别是直接与波导粘接。通过向信号变换器施加AC电压，可以在波导中产生表面波。
所述模块壳体例如具有由底部部段和环周侧壁形成的盆形壳体部件，其中至少一个信号变换器布置在所述盆形壳体部件之内。这样的壳体部件可简单精确地制造，使得所述流体测量装置的壳体中的模块容纳开口通过所述模块壳体的底部部段给予可靠密封。优选地，所述盆形壳体部件形成为一件式构件，使得所述底部部段无缝地过渡到侧壁中。
所述侧壁有利地构造为高的，使得所述流体测量模块的所有电子构件都能布置在由侧壁围绕的内部空间之内。
可行的是，所述模块壳体仅由盆形壳体部件组成。
所述模块壳体应在所述波导的方向上伸长，所述方向在安装到流体测量装置中的状态下对应于通过所述穿流通道的穿流方向和所述模块容纳开口的纵向方向。
所述信号变换器有利地布置在所述波导的一个端部处。为了保持所述模块壳体的尺寸小，有利的是，波导的端部也对应于所述底部部段的端部。如果设置两个信号变换器，则这两个信号变换器应布置在所述波导的两个相反的端部上。
所述信号转换器可以垂直于所述波导的纵向延伸地占据所述模块壳体内部空间的整个宽度，但是特别地至少在所述穿流通道的整个宽度上延伸。这可能使流体在所述穿流通道的整个宽度上被声穿过。因此，所述流体测量装置对所述穿流通道中的流速的不均匀分布相对不敏感。
所述底部部段和所述侧壁都应具有大的材料强度/材料厚度，使得所述模块壳体足够坚硬并且排除所述模块壳体的无意的变形。
所述信号变换器能够由阻尼元件覆盖，所述阻尼元件限制声波扩散到直接在所述信号变换器之下的波导上。
优选地，接在信号变换器处，在所述波导之上设置低阻尼的区域，该区域延伸超过所述表面波的波长的至少一倍到二十倍的长度，优选地是波长的五到十倍。该区域沿着所述表面波的传播方向在所述波导中延伸。该具有低阻尼的区域例如可以是直接在所述波导上方的气隙。在该区域中，当表面波通过其时，所述波导不应该能够碰到其他构件，以便确保所述表面波在所述波导中不受干扰地传播。
在所述模块壳体的内部可以布置温度传感器，所述温度传感器尤其直接安装在所述波导上，使得除了可以通过表面声波测量检测到的特性之外，所述流体测量模块中的温度也是已知的，这也表示穿流的流体的温度的度量。许多测量参数是与温度相关的，从而使得如果已知所述流体测量装置内部的温度，则可以提高测量精度。
所述波导可以在直接连接在信号变换器处的第一区域中与在另外的与所述信号变换器间隔开的第二区域中相比具有更小的壁厚，其中所述第一区域或许也可以直接在所述信号变换器下方延伸。优选地，具有较大壁厚的第二区域大致在波导的中间形成凸起。如果设置两个信号变换器，则具有较大壁厚的第二区域优选居中地位于两个信号变换器之间。然后，在具有较大壁厚的第二区域的方向上，具有较小壁厚的第一区域应该连接到所述信号变换器中的每个处，其优选地以相同长度形成。
已经证实的是，所述波导上的能量输出受到壁厚选择的显著影响。为了在体积波的反射点处将较少的能量传递到所述波导，在所述反射点处存在的较大壁厚被选择为不同于对于在所述信号变换器的区域中耦合输入或耦合输出来说最佳的较小壁厚。以这种方式，可以改善在反射点处或到反射点处的期望反射，因为在该处声波难以耦合输入到所述波导中，甚至完全阻止声波耦合输入到所述波导中。因此，在良好的信号强度的情况下，可以实现体积波通过流体的显著更长的距离并且因此实现扩大的测量范围，这对于小流体流量的测量特别有利。
具有较小壁厚的第一区域优选位于所述信号变换器和具有较小阻尼的连接到所述信号变换器处的区域下方。
优选地，所述较小的壁厚是用于测量的表面声波的波长的40％至60％，优选50％，但最大为100％。在该最佳壁厚情形时，所述表面波从发射器特别好地耦合输入到壁中，从那里它们进一步传播到流体中。
在优选实施例中，较大的壁厚比较小的壁厚大20％至95％，特别是50％。因此，可以通过较大的壁厚阻碍所述表面波耦合输入到所述波导中，从而改善反射点处的反射。在这里，所述壁厚在两个所考虑的距离中分别优选地是恒定的。
若在流体测量模块中使用多于两个信号变换器，两个信号变换器有利地布置在具有较小壁厚的共有区域中。
为了防止环境影响，所述模块壳体优选地至少部分地用浇注料填充，所述浇注料覆盖所述波导和一个或多个信号变换器。如果在所述波导之上提供低阻尼区域，则该低阻尼区域自然地通过适当的措施由浇注料保持暴露。所述浇注料可以例如至少在很大程度上填充盆形壳体部件。
替代地，也可设置封闭所述盆形壳体部件的盖。
作为材料，对于所述流体测量装置的壳体和对于所述流体测量模块的模块壳体，具有优选大于1800m/s的声速的材料是有利的。例如，金属，如不锈钢、黄铜和红铜，但高强度塑料也具有这种特性。
所述流体测量模块可以包括位于所述模块壳体内部的评估和/或控制电子器件。虽然优选地将实际测量所需的所有部件布置在所述流体测量模块本身中，但是评估和控制也可以至少部分地通过外部电子单元或通过所述流体测量装置的控制来执行。在任何情况下，所述流体测量模块都应该具有电气接口，通过该电气接口可以进行供电和数据交换。
所述流体测量装置有利地设计为模块化的。为此，所述流体测量装置可以包括由壳体和至少一个与壳体分开的流体测量模块组成的组件，其中，组件中的一个或多个所述流体测量模块必要时通过一个或多个分析模块和/或反射器补充。在这种情况下，所述壳体是上述流体测量装置的壳体，而所述流体测量模块对应于上述流体测量模块之一。所述流体测量模块可插入到所述模块容纳开口中，使得所述流体测量模块的底部部段形成穿流通道的内壁的部段，该部段与穿流的流体形成直接接触，以使得由信号变换器发射的表面声波可由所述波导耦合输出，并且作为体积声波可传播经过所述穿流通道中的流体，和/或体积声波可耦合输入到所述波导中和由所述信号变换器接收。
利用上述流体测量装置可实现多个不同的方面。
例如，通过插入到所述壳体的一个或多个模块容纳开口中的一个或多个流体测量模块可以进行简单的流量测量，所述流体测量模块通过使用表面声波的测量方法检测流体的穿流。
然而，还可以借助于除了一个或多个流体测量模块之外提供的分析模块来检测流体的其他特性，所述分析模块插入到所述壳体的另外的模块容纳开口中。
在又一方面中，通过在所述流体测量装置中设置阀，所述流体测量装置提供了流量测量和必要时流体的其它特性的测量与流量控制相结合的能力。特别地，所述流体测量装置因此可以借助于测量值执行质量流量控制，尤其是如果相应的控制器被集成到所述流体测量装置中。
附图说明
下面将参考附图，根据实施例更详细地描述本发明。在图中示出：
图1是根据具有根据本发明的流体测量模块的根据第一实施例的根据本发明的流体测量装置的立体示意图；
图2是图1的流体测量装置沿穿流方向的剖开示意图；
图3是在不插入流体测量模块的情形下，图2的视图中图1的流体测量装置的壳体；
图4是图1的流体测量装置沿穿流方向且垂直于图2的剖开方向的剖开示意图；
图5是根据本发明的流体测量模块的立体示意图；
图6是在插入阻尼元件后图5的流体测量模块；和
图7是图6的流体测量模块沿穿流方向的剖开示意图；
图8是具有紧固的阀的、根据第二实施例的本发明的流体测量装置的立体示意图；
图9示出了沿着穿流方向剖开图8的流体测量装置的剖开示意图；
图10是垂直于穿流方向的图8的流体测量装置的剖开示意图；
图11是根据第三实施例的根据本发明的流体测量装置的立体示意图；
图12是图11的流体测量装置的剖开示意图；
图13是用于图11的流体测量装置的分析模块的示意图；
图14是图11的流体计量装置的壳体的垂直于穿流方向的立体剖视图；和
图15至17示出了根据本发明的流体测量装置的穿流通道的不同横截面形状。
具体实施方式
图1至图4示出了根据第一实施例的流体测量装置10。
在伸长的壳体12中形成用于流体的穿流通道14，所述穿流通道在壳体12的一端转变成流体入口16并且在壳体12的另一端转变成流体出口18。在流体入口16和流体出口18之间，穿流通道14形成在围绕穿流方向D的圆周方向上完全封闭的管。穿流通道14在此形成沿穿流方向D的直线测量路径，其中穿流通道14的横截面积在其长度上是恒定的。
然而，在该示例中，穿流通道14的横截面积小于流体入口16的横截面积和流体出口18的横截面积。因此在从流体入口16到穿流通道14的过渡处，设有收缩器20，其增加了穿流通道14的入口处的流速。因此，扩散器22布置在穿流通道14到流体出口18的过渡处，这再次降低了流过穿流通道14之后的流速。收缩器20和扩散器22可以构造为相同的并且被设计为压力损失尽可能低。
由于壳体12基本上对称地构造，因此流体入口16和流体出口18可以交换其功能。因此，穿流通道14可以由流体在穿流方向D上从流体入口16流到流体出口18，并且在相反方向上也可以。
在这个示例中，穿流通道14的横截面形状选择为长方形的(见图3和4或者图10)。
在所述长方形的两个短边中的至少一个上，这里在两个短边上，壳体12的壁被刺穿，从而形成从壳体12的外表面23到穿流通道14的通路。所述通路形成伸长的模块容纳开口24，模块容纳开口24沿穿流方向D在穿流通道14的几乎整个长度上延伸。这可以在图3中清楚地看到。
模块容纳开口24垂直于穿流方向D并且沿着穿流通道14的横截面的短边，一个区段比穿流通道14更宽，使得在两侧形成沿着穿流方向D延伸的肩部26。
在模块容纳开口24中插入流体测量模块28，其在图5至7中详细示出。流体测量模块28是一个独立的，与壳体12分开的预制件，并且具有模块壳体29，模块壳体29具有底部部段30以及围绕底部部段30环形延伸的侧壁32，其一体地和无缝地过渡为底部部段30。这在图7中可清楚地看到。在该示例中，模块壳体29包括盆形壳体部件，该盆形壳体部件由底部部段30和侧壁32组成。
底部部段30形成用于表面声波的波导34。波导34沿着穿流方向D在底部部段30的整个长度上延伸，并且因此也在模块容纳开口24的基本长度上(减去侧壁32的厚度)延伸。因此，穿流方向D也形成流体测量模块28的纵向延伸方向，并且在下文中在此功能方面也用于未安装的流体测量模块28。
在该示例中，波导34的朝向穿流通道14的外侧35平坦地构成。流体测量模块28被插入到模块容纳开口24中，使得波导34的外侧限定穿流通道14，即形成穿流通道14的内壁的部分，并且因此表示边界面，所述边界面与流过穿流通道14的流体形成直接接触。因此，穿流通道14的面向模块容纳开口24的短边在这里基本上通过波导34限制。
在波导34的两个纵向端36、38(相对于穿流方向D)处分别布置信号变换器40(参见图5)。还可以仅在一端36、38处设置信号变换器40。
这里，信号变换器40是呈叉指式换能器形式的压电转换器，信号变换器40直接接触波导34，使得在发射器模式中，通过在信号变换器40上施加交流电压而在波导34中激发表面声波。在接收器模式中，信号变换器40可以从波导34接收表面波并将其转换成电信号。在该示例中，信号变换器40既可以作为发射器也可以作为接收器工作，并且还可以交替地用作发射器和接收器。
电接触，以及信号变换器40的测量信号和控制信号的传输在这里由柔性电路板42实现，柔性电路板42布置在由侧壁32包围的模块壳体29的内部空间44的内部。在柔性电路板42上形成接口46，接口46从模块壳体29引出。
在流体测量装置10的壳体12中沿围绕穿流方向D的圆周方向相对于模块容纳开口24偏移90°地设置凹部48(参见图4)，所述凹部具有通到模块容纳开口24的缆线贯通部50。在该示例中，形成接口46的构件穿过缆线贯通部50并与插入凹部48中的插头模块52电连接(参见图1)。
在流体测量模块28的模块壳体29中，阻尼元件54直接布置在信号变换器40之上，降低声波的传播，例如不希望的反射。
沿着穿流方向D直接连接到信号变换器40地，在波导34上方构造具有较小阻尼的区域56，其方式为：在该示例中，气隙直接设置在波导34之上。气隙在波导34之上的高度选择为如此之高：使得振动的波导34不与其它构件接触，特别是不与柔性电路板42接触。
在本示例中，波导34沿着其纵向方向在穿流方向D上具有两个不同的壁厚T1、T2(例如参见图7)，它们在波导34中限定第一区域60和第二区域58。具有较大的壁厚T2的第二区域58在波导34的(相对于穿流方向D的)大致中央延伸，而具有较小壁厚T1的第一区域60在信号变换器40之下延伸并且进一步在朝向较大壁厚T2的区域的方向上延伸一段。连接到信号变换器40的区域60的长度对应于例如使用已知方式测量的表面声波的波长的五到十倍。较小的壁厚T1选择为：使得表面声波良好地耦合输入到波导34中和/或表面声波从波导34良好地耦合输出。为此目的，壁厚T1优选为表面波的波长的大约一半。反之，较大的壁厚T2选择为使得在体积声波反射的情况下，表面波尽可能少地耦合输入到波导34中。
区域58、60之间的过渡是连续的，即没有台阶，以尽可能多地排除表面波沿波导34的不希望的反射。
具有较小阻尼的区域56位于具有较小壁厚T1的第一区域60之上。
此外，温度传感器62布置在流体测量模块28的内部空间44中，其在图5中示出在右信号变换器40的区域中，但是也可以布置在其它部位并且特别是与波导34直接热接触。
模块壳体29例如使用不导电的浇注料填充，以保护流体测量模块28的电气构件不受环境影响(出于显示原因未示出)。具有较小阻尼的区域56之上的气隙在这里是自然留空的。
替代地，如图2所示，可设置盖64，其封闭流体测量模块28的内部空间44。
壳体12和流体测量模块28组成的组件构成流体测量装置10的主要部分。
为了安装，流体测量模块28作为完全预制的单元从外部插入到壳体12的模块容纳部24中，使得其底部部段30形成限定穿流通道14的环周壁的一部分。
如果要更换流体计量模块28或用另一构件代替，例如用在下面描述的分析模块或反射器代替，则其可以从外表面23触及，并且可以将其从模块容纳部24向外移除。
为了测量流体，产生通过穿流通道14的流体流，流体流从流体入口16运动到流体出口18，或反之亦然。在流体测量模块28中，通过信号变换器40中的一个在波导34中激发表面声波，表面声波部分地在波导34的指向穿流通道14的外侧35耦合输出到流体中，并且在那里作为体声波行进。这些体声波在穿流通道14的内壁上反射一次或多次，并且在反射之后又部分地耦合输入到该波导或另一波导34中。在那里，这些体声波被作为接收器工作的信号变换器40获取并被转换成电信号。
表面声波从用作发射器的信号变换器40沿穿流方向D或逆着穿流方向D行进到第二信号变换器40，然后第二信号变换器40用作接收器。
通过测量例如所发送的表面声波和所接收的表面声波之间的渡越时间差，在评估电子器件中确定流体的希望的特性，该评估电子器件可构造在流体测量模块28中或者构造为外部单元。
两个信号变换器40可以布置在同一流体测量模块28中或不同的流体测量模块28中，重要的仅有，始终准备好一个发射器和至少一个接收器，其中，发射器和接收器的角色可任意地和也在时间上变化地分配给各个信号变换器40。
图7至10示出了流体测量装置100的第二实施例。
对于相同或仅略微改变的构件，为了清楚起见，保留已经引入的附图标记。
在该实施例中，阀170集成到流体测量装置100中，其中阀170与穿流通道114成直角地在外部安装到伸长的壳体112上。
在该示例中，穿流通道114通常非线性地贯通地构造在流体入口16和流体出口18之间。替代地，流体入口16经由第一流体引导通道172到达壳体112的外表面，而流体出口18并入到第二流体引导通道174中，所述第二流体引导通道同样引导到壳体112的表面，并且其口部位于第一流体引导通道172的口部附近。
阀170的流体入口和流体出口与两个流体引导通道172、174流体连接，使得通过影响两个流体引导通道172、174之间的流体流，阀170可调节通过穿流通道114的流。
当然，如对于第一实施例所描述的，流体入口16和流体出口18可交换其功能，以使穿流通道114和流体引导通道172、174也可以在相反的方向上被穿流。
在该示例中，扩散器22(其在相反流动方向上用作收缩器)布置在第一流体引导通道172和穿流通道114之间。
还在该实施例中，提供两个被布置在穿流通道114的相对的窄侧上的模块容纳开口24。
然而，在这里，流体测量模块28仅仅插入在图中上部的模块容纳开口24，而在图中下部的模块容纳开口24通过仅作为用于体声波的反射器工作的闷盖176流体密封地封闭。
在这种情况下，流体测量模块28具有两个信号变换器40，使得通过表面声波测量流体可以完全由这一个流体测量模块28执行。
当然，流体测量模块28或另一测量模块也可以插入第二模块容纳开口24中。
测量原理如第一实施例中所述，唯一的区别在于，通过阀门170流过穿流通道114的流体流可从最大流量调节到流体流完全中断。
图11至17示出了流体测量装置200的第三实施例。
流体测量装置200的结构类似于刚刚描述的第二实施例的流体测量装置100的结构。同样，壳体212在这里设置有穿流通道114(例如参见图12)，流体可以流过该穿流通道114。阀170放置到壳体212上，其中阀的连接在此类似于第二实施例通过壳体212中的流体引导通道171、174实现。
在该示例中，模块容纳开口24分别设置在长方形横截面的穿流通道114的每一侧上。通常，这些模块容纳开口24中仅一个或两个，特别是相对的模块容纳开口24，设置有流体测量模块28。
另一方面，分析模块280(见图13)插入到其余的另外的模块容纳开口24中的至少一个中。分析模块280可选地与流体测量模块28类似地构造并且包括模块壳体229，模块壳体229由盆形壳体部件构成，所述盆形壳体部件的底部部段在插入状态下面向穿流通道。各测量装置容纳在该模块壳体229中，其由特定类型的分析模块280确定。模块壳体229在此至少部分地填充浇注料，以保护测量装置免受环境影响。
分析模块280的插入可以以与流体测量模块28的插入相同的方式来完成。特别地，构成底部部段的外侧的测量侧282指向穿流通道14的内部，使得穿流的流体与测量侧282接触，然后，类似于流体测量模块28，测量侧对穿流通道114限界。
例如，与第一实施例类似，该模块容纳开口24具有肩部26，分析模块280的测量侧282可放置在肩部26上(见图14)。
分析模块280可以设计用于测量流体的任何特性或环境条件。例如，可考虑测量电导率，pH值，化学物质的浓度，流体的浊度，流体的氧化还原电位，温度和/或压力。为此，例如一个或多个合适的测量元件283安装在分析模块280中，使得它们与流体接触。
以这种方式，流体测量装置200可以设计为用于多种流体特性的分析器，其中各个模块接收开口24可以根据应用目的在相同壳体212的情况下不同地配备。
如在第二实施例中那样，不需要的模块接收开口24由闷盖176封闭，所述闷盖尤其用作声波的反射器。
流体测量装置200具有控制器284(参见图11)，控制器经由控制线路286与阀170连接并且经由控制线路288与各个流体测量模块28以及各个分析模块280连接。另外，控制单元284可以经由合适的电子接口290，例如总线系统与外部单元或网络通信。通过接口290，例如流体测量装置200加上控制器可以集成到整个设备中。
这里接口290还包括输出端，控制信号可通过该输出端例如发送到外部的执行器，使得流体测量装置200也可以满足设备中的复杂过程调节。例如，在水处理设备中，可以监测氯含量，其中流体测量装置200控制外部执行器(例如阀)，通过该外部执行器相应地计量新鲜水或氯。
因此，流体测量装置200是完整的独立的测量单元，其可通过流体入口16、流体出口18装入引导流体的设备中。
可以将流体测量装置200例如作为质量流量调节单元运行，其方式是阀170根据借助于一个或多个流体测量模块28以及一个或多个分析模块280检测到的值来调节通过穿流通道114的穿流量。
在这里所示的示例中，选择从流体入口16到流体出口18的穿流方向D。在从流体入口16到穿流通道114的过渡处，在此布置流动调节元件220，其确保穿流通道114的更均匀的穿流，特别是如果流体入口16的横截面是圆形的并且穿流通道114的横截面是多边形的。流动调节元件220例如是具有多个平行的流体通路的板，如图12所示。
除了图11至图14中所示的具有在侧面上构造的四个模块容纳开口24的穿流通道114的矩形横截面形状之外，还可以想到其他多边形横截面形状，例如六边形或八边形横截面，如其在图16和17中所示。在这种情况下，可以在壳体212的每个平坦侧上构造模块接收开口24，流体测量模块28、分析模块280或闷盖176可以分别插入到所述模块容纳开口中。当然，可以设置用于测量不同特性的不同分析模块280。
当然，各个实施方式的特征可以由本领域技术人员自由地彼此自由组合或交换。

Claims (10)

1.一种流体测量装置(10；100；200)，其具有壳体(12；112；212)，在所述壳体(12；112；212)中形成用于待测流体的穿流通道(14；114)以及至少一个伸长的模块容纳开口(24)，所述模块容纳开口(24)构成从所述壳体(12；112；212)的外侧面(23)到所述穿流通道(14；114)的通路，其中所述模块容纳开口(24)沿所述穿流通道(14；114)定向，并且所述流体测量装置具有至少一个与所述壳体(12；112；212)分开预制的流体测量模块(28)，所述流体测量模块具有构造为用于表面声波的波导(34)的底部部段(30)，以及至少一个信号变换器(40)，所述信号变换器设计为在所述波导(34)中激发表面声波和/或接收来自所述波导(34)的表面声波，其中，所述流体测量模块(28)插入到所述模块容纳开口(24)中，使得所述流体测量模块(28)的底部部段(30)构成所述穿流通道(14；114)的内壁的部段，该部段与穿流的流体形成直接接触，从而使得由所述信号变换器(40)发射的表面声波能由所述波导(34)耦合输出并且作为体声波传播经过所述穿流通道(14；114)中的流体，和/或体声波能耦合输入到所述波导(34)中和由所述信号变换器(40)接收，其中，在所述壳体(12；112；212)中构成有至少一个另外的模块容纳开口(24)，在所述另外的模块容纳开口中插入不具有信号变换器(40)的闷盖(176)作为用于体声波的反射器。
2.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；110；200)，其特征在于，所述流体测量模块(28)的底部部段(30)平坦地构造在所述流体测量模块的朝向穿流通道(14；114)的外侧(35)上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，所述穿流通道(14；114)沿穿流方向(D)的环周方向封闭，并且在所述模块容纳开口(24)的区域中具有多边形的截面。
4.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，所述穿流通道(14；114)由流体入口(16)和流体出口(18)限界，并且在所述流体入口(16)上设置收缩器(20)和/或在所述流体出口(18)上设置扩散器(22)。
5.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，在所述壳体(12；112)中设有至少一个另外的模块容纳开口(24)，分析模块(280)被插入到所述另外的模块容纳开口(24)中。
6.根据权利要求5所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，所述分析模块(280)设计为测量化学材料的导电率、pH值、浓度，流体的浊度，流体的氧化还原电势，温度和/或压力。
7.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，在所述壳体(12；112)中设有至少一个另外的模块容纳开口(24)，第二流体测量模块(28)被插入到所述另外的模块容纳开口(24)中。
8.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，在所述壳体(12)中设有凹部(48)，所述凹部具有通向所述模块容纳开口(24)的缆线穿引部(50)，并且所述流体测量模块(28)的电气的和/或电子的连接缆线被引导穿过所述缆线穿引部。
9.根据权利要求1所述的流体测量装置(10；100；200)，其特征在于，设有阀(170)，通过所述阀能调整流体流穿过所述穿流通道(114)，其中所述壳体(112)具有位于所述穿流通道(114)和所述阀(170)之间和位于所述阀(170)和流体入口(16)或流体出口(18)之间的流体引导通道(172，174)。
10.组件，所述组件由壳体(12；112；212)、至少一个与所述壳体(12；112；212)分开的流体测量模块(28)和至少一个不具有信号变换器(40)的闷盖(176)组成，在所述壳体(12；112；212)中构成有用于待测流体的穿流通道(14；114)以及至少两个伸长的模块容纳开口(24)，所述模块容纳开口分别构成从所述壳体的外侧到所述穿流通道(14；114)的通路，其中，所述模块容纳开口(24)沿着所述穿流通道(14；114)定向，所述流体测量模块(28)具有模块壳体(29)，所述模块壳体(29)具有构成为用于表面声波的波导(34)的底部部段(30)以及具有至少一个直接与所述底部部段(30)连接的信号变换器(40)，所述信号变换器设计为在所述波导(34)中激发表面声波和/或接收来自所述波导(34)的表面声波，其中，所述波导(34)设计为在背离所述模块壳体(29)的内部腔室(44)的外侧(35)上与流体形成面接触，所述闷盖用作为用于体声波的反射器，其中，所述流体测量模块(28)可插入到所述模块容纳开口(24)中，使得所述流体测量模块(28)的底部部段(30)构成所述穿流通道(14；114)的内壁的部段，该部段与穿流的流体形成直接接触，从而由所述信号变换器(40)发出的表面声波能由所述波导(34)耦合输出并且作为体声波传播经过所述穿流通道(14；114)中的流体，和/或体声波能耦合输入到所述波导(34)中和由所述信号变换器(40)接收，并且所述闷盖(176)能插入未插入有所述流体测量模块(28)的模块容纳开口(24)中，以便封闭该模块容纳开口(24)。
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