CN110753841A - 用于声谱系统中的声发射器的保持装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种保持装置(100，200)，该保持装置(100，200)用于将声发射器(101)相对于容器保持就位。该装置包括：本体(102)，该本体(102)包括用于保持声发射器的腔(104)，该腔包括开口(106)，该开口(106)布置成当所述装置附接至容器时面向所述容器，其中，本体包括声阻尼材料，并且其中，腔构造成：当声发射器布置在所述腔中时并且当所述装置附接至容器时，允许声发射器在垂直于容器表面的方向上的运动并且限制声发射器在不垂直于容器表面的方向上的运动。还提供了一种包括这种保持装置的测量装置。

Description

用于声谱系统中的声发射器的保持装置
技术领域
本发明涉及用于声谱系统中的声发射器的保持装置。具体地，本发明涉及构造成保护声发射器免受外部干扰的保持装置。
背景技术
有源声谱法是用于对比如管道或桶之类的容器或容纳件的内部的流体进行分析的测量技术。该技术目前主要用于过程工业中。该技术需要具有高精度的小型传感器，以便在过程工业中实现具有足够质量的测量。
然而，当通过使用振动、声和超声技术从类似于管道或桶的容器的外部对流体/固体/气体的特性进行测量和分析时，存在许多降低测量精度的外部影响。特别地，周围的过程噪声可能导致容器中和容器周围的信号噪声比显著降低。可能存在包括来自泵、阀、锥形件等的振动和声音的连续噪声源、比如与过程相关的噪声，这在长时期内影响测量。存在在中等时间跨度上对测量有影响的作用，如可能负面地影响测量的温度变换。还存在一些短期作用，如由于物体掉落在容器和/或传感器本身上而产生的将负面地影响测量的脉冲。为了在长时期内有效且稳定地精确检测所期望的流体特性，要求声输入信号的稳定性与如温度、周围噪声、污物等的外部因素无关。
由于传感器的尺寸，还存在传感器在过程工业中暴露于污物、粘性流体和机械应力的风险，从而降低功能或破坏测量装置。
因此，期望具有被保护的传感器，以抵抗外部噪声源，使得传感器可以具有尽可能宽的可用频率范围来表征流体特性。
发明内容
鉴于现有技术的上述提及的缺点和其他缺点，本发明的目的是提供一种用于对比如压电致动器或电动振动器之类的声发射器进行保持的保持装置，该保持装置为发射器提供了受保护的环境，从而减小了噪声和其他外部环境参数以及自感噪声的影响。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将声发射器相对于容器保持就位的保持装置。该装置包括：本体，该本体包括用于保持声发射器的腔，该腔包括开口，该开口布置成当所述装置附接至容器时面向所述容器，其中，本体包括声阻尼材料，并且其中，腔构造成：当声发射器布置在所述腔中时并且当所述装置附接至容器时，允许声发射器在垂直于容器表面的方向上的运动并且限制声发射器在不垂直于容器表面的方向上的运动。
本体包括声阻尼材料是指本体可以全部或部分地由具有声阻尼的材料制成，或者本体包括由这样的材料制成的部分、元件或零件。本体可以例如包括若干元件，其中，元件中的一些元件由声阻尼材料制成，而另一些元件不是由声阻尼材料制成。声阻尼由材料中的作为频率的函数的能量损耗限定，其中，高能量损耗等同于高阻尼。声阻尼的概念可以应用于声音传播、振动，并且更一般地，可以应用于机械波。
声发射器的操作是基于振动的，以产生针对容器的声信号。因此，允许声发射器在垂直于容器壁的方向上移动，以便产生并发射声信号，同时防止声发射器在可以被描述为相对于发射方向的侧向的其他方向上移动。
本发明基于以下认识：借助于以上所描述的保持装置，可以改善声谱测量的质量，该保持装置减小了负面地影响对容器内部的气体、流体或固体的分析的不期望的环境影响和噪声。特别地，腔的构型连同本体的声阻尼材料一起保护了声发射器。此外，保持装置减小了经由发射器与容器之间的连接到达发射器的干扰，该干扰又是由外部影响引起的。还应当注意的是，在许多情况下，声阻尼和振动阻尼可以被认为是等效的，其原因在于在可听范围内的低频振动通常会产生声音。因此，贯穿本说明书，在许多情况下，声阻尼和振动阻尼可以被视为是等效的。特别地，可以考虑声阻尼材料来减小具有在听觉范围内的频率的振动，并且可以考虑振动阻尼材料来减小声信号。
此外，通过限制声发射器的横向运动、即限制在不垂直于容器表面的方向上的运动，可以对整体测量进行更好地控制。特别地，发射器的横向运动通过不期望的扭转力和弯曲力的增加而减小了朝向容器传递的力。发射器的横向运动还可能导致测量和分析中的可重复性差。
所描述的保持装置的另一优点在于，该保持装置声学地而非机械地使声发射器与被研究对象断开联接，该被研究对象可以是保持气体、流体、固体或使气体、流体、固体流动穿过的任何类型的容器。因此，测量系统和发射器本身的影响被最小化。当将测量系统附接至比如所描述的容器的被研究的系统时，测量系统的特性将改变。该影响可能对测量结果不利，并且应当避免或被最小化。否则，测量系统本身可能主导所测量的响应，从而导致错误的分析。因此，有利的是，将声发射器与容器断开联接，同时提供足够的结构稳定性——包括硬度、刚度和强度——以充分地支承声发射器，并且对声发射器的不希望的运动进行限制。
根据本发明的一个实施方式，保持装置的本体可以包括填充有与所述本体的材料不同的声阻尼材料的部分。由于本体的某些部分——比如包括用于保持声发射器的腔的本体的主要部分——必须具有足够的机械稳定性，因此柔软的或柔性的声阻尼材料可能无法用于整个本体。但是，通过在本体中形成开口，这些开口可以填充有任何期望的声阻尼材料，由此改善保持器的总体声阻尼特性。可以在开口中使用的声阻尼材料的示例包括环氧树脂基材料和液态聚合物。
根据本发明的一个实施方式，保持装置还可以包括阻尼元件，该阻尼元件包括附接至所述本体的外侧部的声阻尼材料。因此，可以实现对声音和振动两者的附加阻尼。此外，可以借助于连接至本体的外侧部的一个或更多个附加的阻尼元件根据特定安装的特定要求定制保持装置的阻尼特性，而不损害保持装置的结构性能。
根据本发明的一个实施方式，保持装置的本体可以有利地由选自包括纤维增强聚合物、金属粉末注入聚合物和环氧树脂注入高孔隙率金属基体的组的材料制成。前面提及的材料中的所有材料具有有利的声阻尼特性和合适的结构特性，并且还可以制造和加工以获得本体的期望形状。本体可以例如使用不同的3D打印方法来制造。本体也可以使用铸造、注射成型、烧结制成，或者本体可以由实体块直接机械加工而成。也可以由多个单独的部件来形成本体。
根据本发明的一个实施方式，保持装置还可以包括紧固装置，该紧固装置构造成将声发射器固定在所述腔中。因此，一旦声发射器由紧固装置固定，则防止声发射器离开腔。紧固装置可以例如包括可以用于对本体的包括腔的部分进行压缩使得腔的侧壁将发射器夹持在腔中的任何类型的已知装置。这样的紧固装置可以例如包括扣环、软管夹、附接至本体或穿通本体的螺钉等。将声发射器夹持在腔中的紧固装置的另一优点是，发射器的在不垂直于腔的开口的方向、并且因此不垂直于容器表面的方向上的运动受到进一步限制。
根据本发明的一个实施方式，腔的侧壁可以有利地包括振动阻尼材料，使得当声发射器布置在腔中时，振动阻尼材料位于声发射器与侧壁之间。因此，可以实现到达声发射器的振动的进一步减小。振动阻尼材料可以有利地布置在腔的所有侧壁上以包围发射器，从而使振动阻尼最大，同时使不希望的结构削弱最小。
根据本发明的一个实施方式，振动阻尼材料可以是弹性体，该弹性体提供有利的振动阻尼特性并且可以按照许多不同的组分使用，从而使得可以根据所选安装的特定要求来调整保持装置的振动阻尼特性。但是，可以同样良好地使用具有类似特性的其他材料。
根据本发明的一个实施方式，本体还可以包括沟槽，该沟槽布置成邻近于腔并且在所述腔的至少一侧到达腔的侧壁，使得腔连接至沟槽。沟槽可以构造成使得一定程度的柔性被引入本体的包括腔的区域中，以便于使用以上所描述的紧固装置中的任何紧固装置将发射器固定在腔中。因此，沟槽可以从腔的相对侧延伸到本体中。沟槽也可以具有与腔的深度相同的深度。
根据本发明的一个实施方式，沟槽可以有利地填充有声阻尼材料。因此，如以上所描述的，沟槽改善了本体的整体阻尼特性，并且便于将发射器夹持在腔中。
根据本发明的一个实施方式，保持装置还可以包括至少一个连接部分，所述至少一个连接部分附接至本体并且构造成要与所述容器接触。因此，可以调整连接部分以与保持装置要连接至的特定容器配合，而无需修改或重新设计保持装置的整个本体。
根据本发明的一个实施方式，连接部分可以有利地是以可释放的方式连接至本体的连接元件。因此，保持装置可以设置为具有可更换的连接元件的模块化保持装置，使得仅需要调整连接元件以适用于特定的容器。因为模块化保持装置可以容易地用于广泛的应用中，所以这大大增加了保持装置的可用性。
根据本发明的一个实施方式，连接部分可以有利地弯曲成具有与所述装置要连接至的容器的曲率相对应的曲率，从而提供与容器的稳固的机械联接。
根据本发明的一个实施方式，连接部分可以包括声阻尼元件，该声阻尼元件位于连接部分的构造成要连接至容器的侧部上，从而减少了从容器经由保持装置的本体到达声发射器的振动的量。容器本身可以例如传播可能干扰发射器和发射的声信号的声音或振动。声阻尼元件还可以防止发射的声信号经由容器传播回到保持装置的本体中。
根据本发明的一个实施方式，腔可以有利地是圆筒形腔，从而具有圆形横截面。因此，可以容易地将对应的圆柱形声发射器安置在圆筒形腔中，从而具有抵靠腔壁的最大接触表面，以使发射器在除了沿着圆筒形腔的中央轴线以外的其他方向上的运动减少。但是，应当注意的是，其他形状的腔也是可能的，只要可以实现发射器的相同或相似的性能即可。
根据本发明的一个实施方式，保持装置还可以包括布置在腔中的声发射器，该声发射器构造成沿着腔的轴向方向发射声信号。
还提供了一种声测量装置，该声测量装置包括：容器；根据前面提及的实施方式中的任一实施方式的保持装置，该保持装置用于保持声发射器；以及声发射器，该声发射器布置在装置的腔中，其中，装置附接至容器。
容器可以例如是具有一定曲率的管道，其中，借助于声谱法分析流动穿过该管道的物质。但是，容器可以具有任何形式或形状。
本发明的其他特征和优点将在研究所附权利要求和以下描述时变得明显。技术人员认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的不同特征进行组合以创建除了下文中所描述的那些实施方式之外的实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地图示了根据本发明的实施方式的保持装置；
图2A至图2B示意性地图示了根据本发明的实施方式的保持装置；
图3示意性地图示了根据本发明的实施方式的保持装置的元件；
图4A至图4B示意性地图示了根据本发明实施方式的保持装置的元件；以及
图5A至图5B示意性地图示了包括根据本发明的实施方式的保持装置的测量装置。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参照构造成待安装到管道上的保持装置来描述根据本发明的保持装置的各种实施方式。
图1是用于将声发射器101相对于容器保持就位的保持装置100的示意图。该保持装置包括本体102，该本体102又包括用于保持声发射器101的腔104。该腔包括开口106，该开口106布置和构造成当装置附接至容器时面向容器。此外，保持装置的连接部分108布置成要与容器接触。所图示的连接部分108也可以被称为腿部或者脚部，并且连接部分的形状和构型可以适于与保持装置100要附接至的容器配合。
保持装置100的本体102由声阻尼材料制成。保持装置的本体的其他期望特性是高硬度、高损耗系数/阻尼和宽的工作温度范围。
适于容纳声发射器101的腔104还构造成：当声发射器布置在腔中时并且当装置附接至容器时，允许声发射器在垂直于容器表面的方向上的运动，并且限制声发射器在不垂直于容器表面的方向上的运动。对于圆柱形换能器，这意味着腔104的直径仅略大于换能器的直径，使得换能器可以插入腔104中，但是换能器一旦插入就不能横向移动。
图2A示意性地图示了根据本发明的另一实施方式的保持装置200。该保持装置200包括位于本体中的切口202，所述切口202可以填充有与本体102的材料不同的声阻尼材料。在切口中使用的声阻尼材料可以例如是具有有利的阻尼特性但是非机械刚性的材料，比如橡胶或硅树脂基材料。
图2A的保持装置200还包括沟槽201，该沟槽201在本体102中布置成邻近于腔104，使得腔104连接至沟槽201。沟槽201在腔104的两侧延伸，但是应当理解的是，沟槽201可以以各种方式布置。沟槽201可以填充有阻尼材料以进一步减小振动。
图2A的保持装置200还包括呈螺栓204的形式的紧固装置，所述螺栓204构造成将声发射器101固定在腔104中。螺栓204插入到本体102的开口206中，并通过使用位于本体102的相反侧的对应的螺母(未示出)而固定。借助于沟槽104，一定程度的柔性被引入本体102的侧壁中，从而有助于本体的压缩，以使得一旦螺母和螺栓被拧紧，就将发射器101固定在腔104中。本领域技术人员认识到的是，许多不同类型的紧固装置是可能的，比如张紧器、夹持件等。还可以使用粘合材料将发射器101固定在腔104中。
图2A还图示了连接元件210，该连接元件210可以以可释放的方式附接至本体102。通过将连接元件210的连接部分211插入到本体102的对应开口212中，连接元件210附接至本体102，其中，连接部分211可以例如通过螺栓214固定。应当注意的是，除了所描述的螺栓以外，许多不同类型的固定装置也是可行的，并且所图示的实施方式仅描述了示例构型。
图2B是图2A中所图示的保持装置200的横截面。此处，可以更清楚地观察到，圆筒形腔104延伸到保持装置200的本体102中。还可以观察到，沟槽201延伸至与用于保持发射器的腔相同的程度，使得在需要的情况下阻尼材料可以沿着发射器101的整个长度布置。
图3图示了适于连接至管道的连接元件302的替代性构型，其中，连接元件302的曲率构造成与管道的曲率匹配。连接元件302的弯曲部分也可以是柔性的，以允许将相同的连接元件302附接至不同直径的管道。因此，仅需要改变或调整连接元件302以便于保持装置200与几乎任何类型的容器的连接。还可以存在位于连接元件302与容器之间的附加的阻尼材料。
图4A至图4B图示了要附接至保持装置200的本体102的声阻尼元件402。该阻尼元件402还可以包括如图4B中所图示的声阻尼材料和/或振动阻尼材料片406。阻尼元件402还包括销404，所述销404用于附接图4B中所图示的阻尼材料片406。还可以使用粘合剂来附接片406或类似形状的材料件。销404还可以用于通过插入对应的开口202中而将阻尼元件402附接至本体102。因此，阻尼元件402可以使用同样可以包括阻尼材料的开口202来连接。但是，阻尼元件402可以以任何合适的方式——例如使用螺丝、张紧器、粘合剂等——附接至保持装置的本体102。
阻尼元件402可以例如由与本体102相同的材料制成，使得阻尼元件402足够刚性以机械地保护本体102和布置在本体102中的发射器101。阻尼材料片404和在本体的切口中使用的阻尼材料可以包含满足比如感兴趣的频率范围内的阻尼、相关温度范围内的耐久性、长期稳定性等的机械要求和声要求的弹性体(例如硅树脂)。附加的阻尼材料可以有利地具有更高的阻尼系数。此外，在阻尼元件与本体102之间可以使用阻尼材料的若干层或片404。
图5A示意性地图示了声测量装置500，该声测量装置500包括：容器502，该容器502呈管道502的形式；保持装置200，该保持装置200具有布置在保持装置200的腔104中的声发射器101。保持装置借助于连接元件210附接至容器502。连接元件可以例如连接至对应的接纳元件，所述对应的接纳元件可以胶合至容器502或以其他方式附接至容器502。还可以将软管夹与连接元件210组合使用以用于将保持装置200附接至容器502。声发射器101构造成沿着腔104的轴向方向发射声信号并将声信号穿过容器壁发射到容器502中。
图5B图示了类似但是具有附接至保持装置200的外部阻尼元件104的声测量装置。
用于接收由发射器101发射的信号的声接收器可以根据装置、障碍物等定位在任何位置，只要声接收器可以被适当地并且牢固地安装即可。接收器应当足够靠近于发射器101以实现良好的SNR(信号噪声比)，但与激发点(即发射器)相距足够远从而能够区分。
借助于所描述的保持装置和结果测量装置，通过限制声发射器在除朝向测试对象之外的所有其他方向上的不希望的运动，可以显著提高声学气体/流体/固体分析的信号噪声比。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的变型、改型等将变得明显。另外，应当注意的是，可以以各种方式省去、互换或布置保持装置的部件，而保持装置仍然能够执行本发明的功能。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变型。在权利要求中，用语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”不排除多个。仅仅是在互不相同的从属权利要求中叙述了某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种保持装置(100，200)，所述保持装置(100，200)用于将声发射器(101)相对于容器保持就位，所述装置包括：
本体(102)，所述本体(102)包括用于保持声发射器的腔(104)，所述腔包括开口(106)，所述开口(106)布置和构造成当所述装置附接至容器时面向所述容器，其中，所述本体包括声阻尼材料，并且其中，所述腔构造成：当声发射器布置在所述腔中时并且当所述装置附接至容器时，允许声发射器在垂直于容器表面的方向上的运动并且限制所述声发射器在不垂直于所述容器表面的方向上的运动。
2.根据权利要求1所述的保持装置，其中，所述本体包括填充有与所述本体的材料不同的声阻尼材料的部分(202)。
3.根据权利要求1或2所述的保持装置，还包括阻尼元件(402)，所述阻尼元件(402)包括附接至所述本体的外侧部的声阻尼材料(406)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，其中，所述本体由选自包括纤维增强聚合物、金属粉末注入聚合物和环氧树脂注入高孔隙率金属基体的组的材料制成。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，还包括紧固装置(204)，所述紧固装置(204)构造成将声发射器固定在所述腔中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，其中，所述腔的侧壁包括振动阻尼材料，使得当声发射器布置在所述腔中时，振动阻尼材料位于声发射器与所述侧壁之间。
7.根据权利要求6所述的保持装置，其中，所述振动阻尼材料是弹性体。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，其中，所述本体还包括沟槽(201)，所述沟槽(201)布置成邻近于所述腔并且在所述腔的至少一侧到达所述腔的侧壁，使得所述腔连接至所述沟槽。
9.根据权利要求8所述的保持装置，其中，所述沟槽填充有声阻尼材料。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，还包括至少一个连接部分，所述至少一个连接部分附接至所述本体并且构造成要与所述容器接触。
11.根据权利要求10所述的保持装置，其中，所述连接部分是以可释放的方式附接至所述本体的连接元件。
12.根据权利要求10或11所述的保持装置，其中，所述连接部分弯曲成具有与所述装置要连接至的容器的曲率相对应的曲率。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的保持装置，其中，所述连接部分包括声阻尼元件，所述声阻尼元件位于所述连接部分的构造成要连接至容器的侧部上。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置，还包括声发射器，所述声发射器布置在所述腔中，所述声发射器构造成沿着所述腔的轴向方向发射声信号。
15.一种声测量装置(500)，包括：
容器(502)；
根据前述权利要求中的任一项所述的保持装置(200)，所述保持装置(200)用于保持声发射器(101)；以及
声发射器，所述声发射器布置在所述保持装置的所述腔中，其中，所述保持装置附接至所述容器。
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