CN110779584A - 超声波仪表 - Google Patents

Abstract

用于记录流体流速的超声波仪表，其具有流体入口、流体出口和将流体入口连接到流体出口的流动通道，流动通道包括沿流动方向以直线延伸的测量管，测量管包括多个突起，该多个突起形成在测量管的侧壁的内壁上，并限定了测量管的流动横截面，并沿流动方向延伸至测量管长度的至少一部分，并延伸有预定的突起高度，该突起高度相对于侧壁(成一定角度、尤其是垂直于侧壁，其中至少两个突起具有彼此不同的突起高度，和/或其中流动通道至少包括至少一个旁路，流过流动通道的一部分流体可以通过该旁路转移绕过测量管。

Description

超声波仪表

技术领域

本发明涉及一种用于记录流体流速的超声波仪表，该超声波仪表具有流体入口、流体出口和将流体入口连接到流体出口的流动通道，流动通道包括在流动方向上沿直线延伸的测量管，测量管包括多个突起，所述多个突起形成在测量管的侧壁的内壁上，所述多个突起限定测量管的流动横截面，并且沿流动方向在测量管的至少一部分长度上延伸，并且延伸成具有与侧壁成一定角度、特别是垂直于侧壁的预定突起高度。

背景技术

测量通过测量管的流量的一种可能性涉及超声波仪表。在这些超声波仪表中，使用超声换能器以将超声波引入流过测量管的流体中，该超声波在直线路径上被传导或者在壁或特殊的反射元件处进行多次反射之后被传导到第二超声换能器。通过测量管的流速可以根据超声波在超声换能器之间的飞行时间来确定，或者根据发射器和接收器交换时的飞行时间差来确定，并且因此通过已知的管状横截面可以确定流速。

设计这种超声波仪表的一个基本挑战是在宽的测量范围内实现尽可能高的测量精度。通常，测量的飞行时间具有与飞行时间无关的误差，致使测量精度的相对误差随着流速减小而增加。补偿这一点的一种可能性是使用较小的测量管横截面。然而，使用较小的测量管横截面导致超声波仪表总体上具有高流动阻力，这在大吞吐量的情况下是不利的。可用测量范围的进一步的限制是，对于特定的流速，例如由于在反射元件处的停滞，突然地且在某些情况下，在流动轮廓中可能发生迟滞变化。如果在特定流速的情况下发生这样的流动变化，则超声波仪表仅能够在该特定流速以下或仅能够在该特定流速以上高精度地使用。

文献DE 10 2016 008 302 A1公开了使用具有起伏的内表面的测量管。侧壁的起伏破坏了流动的旋转对称性，这可以有助于抑制流动输送的突然变化。然而，如果要在大的动态流速范围内使用这种超声波仪表，则需要具有相对大的外径的测量管，以避免流动阻力的过大地增加。然而，同时，超声波仪表的入口或出口区域中的壳体开口不应超过特定的横截面。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种与上述文献相比得到改进的超声波仪表，并且该超声波仪表具有相同的总体尺寸，特别是具有较低的流动阻力和/或较高的测量动态范围和/或可以更紧凑地制造。

根据本发明，该目的通过前文中提到的超声波仪表类型来实现，在所述超声波仪表中，突起中的至少两个具有彼此不同的突起高度，和/或流动通道包括至少一个旁路，通过该旁路，流过流动通道的流体的一部分可以绕道通过测量管。

本发明基于这样的思想：为流体提供不同的流动路径或流动横截面的部段，所述不同的流动路径或流动横截面的部段特别是在流速方面不同，并且所述不同的流动路径或流动横截面的部段中发生层流和湍流之间的变化。如果使用至少一个旁路，则旁路中或形成该旁路的多个旁路通道中的流体可以例如最初保持层流，而在测量管中的、或至少在测量管的中央区域中的与测量相关的流体已经是湍流。如下面将更详细地解释的，使用具有不同高度的突起的效果在于，在层流和湍流之间的过渡在流动横截面的不同子截面中以非常不同的流速发生。只要流体在近壁区域(即特别是靠近测量管的侧壁和/或在旁路中，或者至少在旁路的部分中)保持层流，则将导致相对低的流速，这是因为与壁的强烈的相互作用使流速减慢。如果通过流动通道的流速随后增加，则由于向湍流的过渡，这些区域中的流速以不成比例的程度增加，则相反地，测量管的中央区域中的与测量相关的流速比在所有区域中具有相同流动行为的情况下变化更小。

换言之，超声波仪表可以以这样的方式配置：使得旁路或流动横截面的位于突起之间的区域在低流速下对流体输送仅有轻微贡献，而在高流速时对流量输送做出更大比例的贡献。因此在高吞吐量的情况下，超声波仪表的流动阻力保持较低，而在低流速的情况下，仍然在测量管的中央区域中实现足够的流速，以允许足够精确的测量。在本发明的范围内，已经发现，相对简单的结构也会产生相应的效果，例如在前文中讨论的具有均匀起伏壁的测量管的情况下。然而，通过根据本发明使用至少两个不同的突起高度或附加的旁路，一方面可以显著增加可高精度地记录的动态范围，另一方面，实现了在多个子步骤中发生从层流到湍流改变的效果，从而可以避免流动行为的突然变化，这种突然变化可能潜在地降低测量精度。

测量管可以装配到外管中，该外管至少部分地形成流动通道。测量管可以优选地在第一超声换能器和第二超声换能器之间延伸，或者在分配给第一超声换能器和第二超声换能器的用于引导超声通过测量管的反射元件之间延伸。

在根据本发明的超声波仪表中，优选使用至少四个突起，所述至少四个突起具有至少两个相互不同的突起高度。特别地，突起可以形成有腹板，该腹板在测量管的周向方向上具有比相应的突起高度小得多的程度，例如为突起高度的三分之一或五分之一或十分之一或二十分之一。

旁路可以至少部分地由围绕测量管沿周向方向布置的多个旁路通道形成。测量管可以具有比流动通道的在流动方向上位于测量管之前和/或之后的部分更小的流动横截面，这导致测量区域中的流速更高，因此可能提高测量精度。突起优选地在测量管的整个长度上延伸。

优选地，测量管包括多个第一突起和多个第二突起，该第一突起的突起高度大于或等于限制突起高度，该第二突起的突起高度小于限制突起高度，至少一个、优选至少两个第二突起相应地在测量管的周向方向上形成在内壁上形成的两个第一突起之间。特别地，所有第一突起可以具有基本相同的突起高度和/或所有第二突起可以具有基本相同的突起高度。所有第一突起或第一突起中的最低突起的突起高度可以比所有第二突起或第二突起中的最高突起的突起高度大至少10％、20％或30％。突起可以在周向方向上以例如30°的角间距均匀地分布，每四个突起中有一个是第一突起。因此，例如，可以设置三个第一突起，并且三个第二突起可以在周向方向上分别布置在两个第一突起之间。然而，也可以将两个、四个或更多个第二突起布置在两个第一突起之间。还可以提供两个、四个或更多个第一突起。

第一突起可以例如径向地朝流动横截面的内部核心区域的方向上延伸。核心区域可以用作测量区域，与测量技术方面相关的超声波辐射的传播路径基本上通过该测量区域延伸。由于仅第一突起的相对窄的端面作为在该核心区域中的边界侧壁部分而相关联，因此即使在低吞吐量的情况下，流动也可以从层流变为湍流，而在由第一突起的侧壁表面和第二突起的端部表面所限定的一个或多个中间区域中，不能发生湍流。只有具有更高的吞吐量，流动才能在中间区域中基本上变得紊乱。在流动横截面的由第二突起的侧表面和测量管的内壁界定的边缘区域中，由于壁间距小，流体保持最久的层流。作为通过不同的突起高度提供边缘区域的替代或补充，也可以通过旁路通道提供这样的流动横截面的区域，其中流动在即使具有相对高的吞吐量情况下也保持层流。在这种情况下，旁路通道中的流体的流动横截面或最大壁间距可以很小，使得旁路通道中的流动仅在高吞吐量的情况下才会变成湍流。

还可以另外设置另外的突起，特别是具有不同的突起高度的突起，其进而限定流动横截面的子横截面，该子横截面具有与旁路通道或流动横截面的其他子横截面不同的几何尺寸。因此，在该子横截面中或在这些子横截面中，层流和湍流之间的变化(反之亦然)与旁路通道或其他的子横截面在不同的吞吐量的情况下发生。

通过测量管的相应配置，因此可以实现这样的效果：在相对小的吞吐量下，一大部分的流体输送发生在测量区域中，因为在测量区域处实现了最大流速。在吞吐量相对较低的情况下，流动仅在测量区域中是湍流。随着吞吐量增加，首先中间区域和随后的边缘区域或旁路通道变为湍流，从而可以在这些区域中发生更大部分的流体输送。其效果是，测量区域中的流速、以及因此在飞行时间的测量期间的测量效果(measurement effect)并非与流速线性相关，而是所提到的测量区域中的流速以及所述测量结果的梯度随着吞吐量提高而减少。这使得即使在低吞吐量的情况下也可以实现高测量精度，而不会在高吞吐量的情况下达到过高的流动阻力或获得过强的测量效果(excessively strong measurementeffect)(此问题无法被解决)。由于使用不同的突起高度，或者额外使用至少一个旁路，可以实现流动从层流到湍流的变化在多个阶段中发生的效果，从而可以避免流动突然变化，并且因此可以避免流速或测量量和吞吐量之间的关系的突然或滞后的变化。

测量管的其上设有突起的内壁可具有任何期望的横截面形状。例如，内壁的基本形状可以是圆形的，并且突起可以(特别是径向地)突出到形成的圆形流动横截面中。然而，内部形状也可以偏离圆形。例如，内壁可以限定椭圆形或多边形，特别是矩形的流动横截面。突起可以从内壁垂直地突出。

突起可以沿周向方向分布在整个内壁上，但也可以仅设置在周向的一个或多个部分中。在多边形流动横截面由多个彼此成角度设置的侧壁界定的情况下，侧壁中的一个或侧壁中的多个、特别是两个相对的侧壁可以包括突起。没有突起的光滑壁的部分尤其可以使超声波辐射对角地穿过测量管而不会被突起干扰传播。

至少部分突起或旁路通道可以成形为使得梯形流动横截面形成在各个子横截面或旁路通道中。这导致该横截面或旁路内的不同壁截面，从而可导致湍流和层流之间的平滑过渡。随着吞吐量的增加，该子横截面或旁路的越来越大的部分以湍流的形式被流过。

第一突起的突起高度可以是第二突起的突起高度的1.5倍至2倍，和/或第二突起的突起高度可以是在测量管的周向方向上相邻的突起之间的距离的0.5倍至1.1倍。在本发明的范围内，已经发现，通过这些突起几何形状，可以在大的动态吞吐量范围内实现高测量精度。

突起或旁路通道在流动方向上的长度应足够大，以便能够实现所提到的流动技术的优点。第一突起和/或第二突起的长度为两个相邻的第一突起或第二突起之间的距离的至少1.5倍、优选至少2倍可能是足够的，并且在壁部分非平行的情况下，应考虑最短距离。测量管的长度同样应该是该距离的至少1.5倍或2倍。突起可以在测量管的至少50％、优选超过70％或80％的长度上延伸，特别是在测量管的整个长度上延伸。旁路通道在流动方向上的长度可以例如是该旁路通道在周向方向上的或者垂直于流动方向的宽度的四倍到六倍之间。

在测量管的至少一个区段中，至少一个突起的突起宽度可以在流体出口的方向上增加。以这种方式，可以加速测量管中的流体，从而可以进一步稳定流动。特别地，突起宽度增加的区段可以在测量管长度的至少60％、70％或80％上延伸。该区域尤其可以在测量管的流体入口侧的端部开始。突起宽度描述了在测量管的周向方向上的各个突起的范围。

在测量管的流体出口侧部分中，测量管的侧壁可以在流动方向上的不同位置处在周向方向上的不同位置处终止。特别地，测量管的流体出口侧上的区段可以在流动方向上的以下位置处开始，在该位置处，周向方向上的侧壁在流动方向上的最早位置处终止。通过测量管的阶梯状端部，可以增加测量管端部处的流动横截面，这尤其可以避免或至少减少例如由于布置在流动路径中的反射元件的停滞。

侧壁可以在周向方向上的其中形成突起的那些区域中、而不是在周向方向上位于那些区域之间的中间区域中在流体出口的方向上进一步延伸。因此，流动横截面在测量管的端部区域中通过在加深的突起之间形成的凹槽而变宽。因此，如上所述，在流量较小的情况下，这些凹槽中的流速相对较低，致使在低流速下，侧壁的较早的终止仅导致流速的微小降低，因此可以提高低流量的测量精度。

在流体出口侧的部分中，至少一个突起的突起宽度可以在流体出口的方向上减小。同样以这种方式，可以实现测量管的流动阻力总体上降低的效果(特别是在高流量的情况下)，特别是为超声辐射避免了在反射元件处的停滞。如果测量管的突起宽度在流体出口方向上在第一部分中初始地增加，然后在流体出口的方向上在流体出口侧的部分中减小，则仍然可以使用注射成型方法通过将两个注射成型的主体部件在其中流体出口侧的部分开始的区域中进行组装来生产测量管。在这种情况下，突起宽度的相反变化可以有助于使主体部分容易地从模具中释放。

至少一个突起的突起高度可以在流动方向上的如下位置以阶梯方式减小，该位置在测量管的中间区域中且在测量管的周向方向上邻近突起，且在该位置处，侧壁终止。如果侧壁在突起之间的中间区域中的相同位置处终止，则所有突起的阶梯式减小可以在其中测量管在流体出口侧上的区段开始的平面中发生。特别地，当测量管的两个主体部分在该平面中组装时，阶梯式减小可以是有利的，因为可以由此实现主体部分之间的限定的过渡。

对于至少两个突起，突起的突起宽度可以相互不同，和/或在测量管的周向方向上的突起之间的距离针对在周向方向上彼此相邻的至少两对突起可以是相互不同的。通过这种方式，可以减小测量管的旋转对称性，并且因此也可以减少测量管输送的流体的旋转对称性，这可以有助于流动的稳定，因为相同的流体轮廓(由于旋转对称性)之间的流动的突然变化可以被避免。

突起的突起宽度可以在0.7mm和2.0mm之间。该宽度可以是突起在突起底部处的宽度，即径向向外。突起的宽度可以在朝向测量管中心的方向上略微减小。以这种方式，一方面，可以改善从层流到湍流的过渡的连续性，另一方面，可以改善在测量管为注射成型的情况下从模具的可释放性。

突起在流动方向上的突起长度可以大于突起高度，和/或突起的突起宽度可以小于突起高度。换言之，优选使用在流动方向上窄且延伸的突起。特别地，突起可以在测量管的整个长度上延伸。

在流动通道包括至少一个旁路的情况下，旁路可以至少部分地由多个单独的旁路通道形成。优选地，每个旁路通道的流动横截面小于测量管的流动横截面。通过这种方式，可以实现这样的效果：当旁路通道中的流体是层流时，旁路通道中的流速小于测量管中(特别是在测量管的测量区域中)的流速。然而，同时，以与上述边缘区域相似的方式，旁路通道中的流动仅在具有相对高流量的情况下改变为湍流，使得通过流动通道输送的流量的更大比例通过旁路通道被输送通过测量管，从而被输送通过测量管的测量部分。因此，由于旁路通道的使用，测量管或测量区域中的流速增加小于线性地随着输送的流量增加的增加。以这种方式，可以提高对低流量的测量的灵敏度，同时避免高流量带来的过高的流动阻力或测量的饱和。旁路通道的流动横截面可以小于测量管的流动横截面(特别是小于测量管在其最窄位置处的流动横截面)，至少为测量管的流动横截面的三分之一、五分之一或十分之一。

旁路通道可以优选地比测量管短，旁路通道在流体入口侧和/或流体出口侧敞开至共同的旁路主体，该旁路主体将旁路通道流体地连接到流动通道。旁路通道尤其可以平行于测量管延伸并且在流动方向上比测量管短。在这种情况下，旁路通道和旁路容积的长度总和、或旁路容积的长度总和可以对应于测量管的长度，也就是说整个旁路可以平行于测量管布置。特别地，旁路容积和/或旁路通道可以布置在测量管和外管之间的中间空间中，外管特别地至少部分地形成流动通道的外壁。使用相对短、相对薄的旁路通道使得所述旁路通道在湍流的情况下具有比在层流情况下显著更低的流动阻力。

旁路通道可以在流动方向上比测量管短，测量管和旁路通道在流动方向上的长度之比至少为2，特别是至少为5或10。以这种方式，可以特别好地实现上述优点。

多个旁路通道可以沿测量管的周向方向分布在测量管周围。特别地，旁路通道可以沿周向均匀分布和/或具有相同的形状。因此，流入的流体可以大致均匀地分布在旁路通道上。

如上所述，旁路通道可以布置在外管和测量管之间，外管部分地形成测量通道。这允许超声波仪表具有简单和紧凑的结构。

旁路通道可以由布置在测量管和外管之间的旁路装置形成，或者通过该旁路装置与测量管的外壁和/或外管的内壁一起形成。旁路装置尤其可以是环形的，测量管穿过旁路装置。旁路装置可包括沿流动方向的多个障碍，以形成旁路通道。作为替代或补充，旁路装置可包括支承在外管上的径向外部突起，和/或支承在测量管上的径向内部突起，以便与该管或这些管一起形成相应的旁路通道。旁路装置也可以配置成与测量管成一体。例如，测量管的外壁可以在一个部分中以向外的方式增厚，其中该增厚的部分具有形成旁路通道的轴向的打通孔，以形成旁路通道。旁通通道也可以以突起的方式形成，所述突起突出，特别是以径向方式突出在测量管的外壁上并且特别地延伸到外管的内壁以便形成旁路通道。

外管可以完全容纳测量管，测量管的沿流动方向延伸的中心线，相对于外管的沿流动方向延伸的中心线偏置。测量管在外管中的非对称布置、并且特别是在流动通道的流动横截面中的非对称布置可以破坏流动轮廓的旋转对称性，并因此有助于流动稳定。此外，通过这种布置，测量管的外壁和外管的内壁之间的距离可以变化，这可以例如用于改变旁路通道在径向方向上的尺寸。测量管相对于外管的这种偏置布置可以例如通过使用旁路装置或旁路环来形成，该旁路装置或旁路环的接收测量管的凹部相对于该旁路装置或旁路环的中心偏置。

在超声波仪表中，至少两个旁路通道在流动方向上可以具有彼此不同的长度和/或具有不同的横截面形状。作为替代或补充，对于至少一个旁路通道，在测量管的周向方向上限定该旁路通道的两个侧壁可以在流动方向上的不同位置处终止。通过旁路通道之间的上述差异，特别地，可以减小流动轮廓的旋转对称性并且因此可以稳定流动。由于柯恩达效应，由不同长度的壁限定旁路通道可导致从该旁路通道流出的流动部分相对于流动方向偏转，从而同样可以实现流动稳定。旁路通道的不同长度和/或形状可以进一步导致从层流到湍流的变化在各种旁路通道中在不同流量的情况下发生。这可以用于实现流动行为的多阶段转换，从而可以避免突然的流动变化和/或迟滞效应。

附图说明

在以下示例性实施例和相关附图中可以找到本发明的其他优点和细节，其中，示意性地：

图1示出了根据本发明的超声波仪表的示例性实施例，

图2示出了图1中所示的超声波仪表的示意图，

图3至图6示出了可用于根据本发明的超声波仪表的替代示例性实施例中的旁路装置，而不是图1和图2中所示的旁路装置，

图7示出了根据本发明的超声波仪表的替代示例性实施例的测量管，

图8示出了图7中所示的测量管的流动轮廓的各个部分，

图9示出了图7中所示的测量管的三维视图

图10至12示出了根据本发明的超声波仪表的另外的示例性实施例的测量管。

具体实施方式

图1示出了用于记录流体流速的超声波仪表1。超声波仪表1包括流体入口2和流体出口3，所述流体入口和流体出口分别用于将流体输送到超声波仪表1中和将流体从超声波仪表排出。流动通道4将流体入口2连接到流体出口3。

为了测量流速，通过发射基本上平行于流动方向通过测量区域6的超声波束5并评估飞行时间和/或超声信号的频移来确定流体的流速。该过程在现有技术中是众所周知的，不需要更详细地解释。用于分别提供和接收超声信号的超声换能器7、8布置在外管9的侧壁上，所述外管至少部分地形成流动通道4。超声换能器7、8的超声信号的发射和接收可以大致与流动方向正交地进行。为了在测量区域6中基本上平行于流动方向引导超声波束，使用反射元件10。

测量的飞行时间的差异取决于测量区域6中的流体的流速。由于测量误差通常包括绝对误差和相对误差，因此测量精度通常随着测量区域6中的流速增加而增加。为了即使在低流速下也实现高测量精度，已知将测量管11插入流动通道4中，从而减小了流动通道4的流动横截面。如果要在低流量的情况下实现高测量精度，则测量区域6中的流动横截面应尽可能小。然而，同时，测量区域6中的小的流动横截面导致超声波仪表具有高流动阻力，这通常是不利的，并且在某些情况下的大流量不能被正确记录。

为了在低流速下实现高测量精度以及相对低的流动阻力，并且在高流量下具有足够精确的可测量性，在所示的示例性实施例中，为流体提供了多个流动路径或流动横截面的截面。在各个流动路径或截面中的流动在不同流量的情况下从层流改变到湍流所实现的效果是，测量区域6中的流速不随流量线性地变化，而是更慢地变化。

为此，一方面，在测量管11的侧壁12上设置多个突起13，使得在这些突起13之间形成凹槽14。在凹槽14中，来自相邻的侧壁12流体流过该凹槽的距离较小，因此在层流的情况下，与测量区域6相比，流过该凹槽的流速较低。但是，同时，凹槽14中的流体不会变为湍流，直到相对较大的流量，使得在高吞吐量的情况下，与通过测量区域6输送的流体的比例相比，通过凹槽14传送的流体的比例增加。从而，与圆管横截面或管线的情况相比，测量区域6中的流速随着流量的增加而不那么强烈地增加。

在示例性实施例中示出了在测量管11的周向方向上相对较宽的突起13。这特别地用于更清楚地表示原理。为了减小大流量所带来的流动阻力，在测量管11的周向方向上使用相对窄的突起13可能是有利的，如将在下面参考其他示例性实施例进一步说明的。

如果如在图1所示的示例性实施例中那样使用全部具有相同突起高度的突起13，则其效果可能是从层流到湍流的变化基本上同时在所有凹槽14中发生。这根据超声波仪表1的具体结构可能具有这样的效果：测量量之间的关系(即例如飞行时间差与流量之间的关系)在该区域中具有跳跃或甚至迟滞，这使得该区域中的可靠测量变得困难甚至不可能。为了能够避免这种情况，如下面将更详细地解释的，使用具有相互不同的突起高度的突起13。然而，在所示的示例性实施例中，替代地经由旁路15提供另外的流体路径。旁路15可以使通过流动通道4输送的一部分流体绕过测量管11。

为了形成该旁路15，使用环形旁路装置16，该环形旁路装置将测量管11与外管9分开。旁路装置16的布置尤其可以在图2中看到，

图2示出了超声波仪表1的沿着图1中的线II-II截取的截面，图2中的观察方向为朝向流体入口2，并且为了清楚起见，未示出反射元件10及其安装部。通过旁路装置16在流动方向上的障碍，形成沿周向方向围绕测量管11布置的多个旁路通道17，所述多个旁路通道与旁路容积18、19一起将旁路通道17联接到流动通道4，形成旁路15。各个旁路通道17明显短于测量管11并且与测量区域6或凹槽14相比具有更小的流动横截面，即具有垂直于流动方向的更小区域。

只要流体在旁路通道17和测量管11中均以层流方式流动，则旁路通道17中的平均流速显著小于测量管中的平均流速，因为流体在旁路通道17中具有非常小的离壁距离。然而，特别是由于旁路通道17的短的长度，旁路通道中的至湍流的变化导致当体积流量增加时，与测量管中的流速相比，旁路通道中的流速增加更强烈，因此在吞吐量较大的情况下，与低吞吐量相比，更大比例的流体通过旁路通道17输送。举例来说，在流量非常小的情况下，流体在旁路通道17和整个测量管11中都可以是层流的。即使在相对低的流速下，由于大的离壁距离，也在测量区域6中形成湍流。随着流量的增加，凹槽14中的流动便在最初即变为湍流，使得更大比例的流体可以绕过测量区域6。当流量进一步增加时，旁路通道17中的流体随后改变为湍流。通过这种多阶段流体变化，减小或完全抑制了流速或测量量与流量之间的关系中的跳跃或滞后。

通过使用突起13，测量管11中的流动横截面至少略微减小。在高流量的情况下，这可能具有使从测量管11流出的流体停滞在反射元件10处的效果，这可能导致突然的流动变化或测量的其他扰动。为了避免这种情况，在反射器10之前及时加宽流动横截面可能是有利的，这可以例如通过使测量管11的侧壁12在凹槽14的区域中(即，在突起13之间的中间区域20中)被打断来实现。

图1和2中所示的旁路装置16包括旁路通道17，旁路通道基本上相同地成形并且沿着测量管11的周向均匀地布置。然而，为了减小旋转对称性和/或为了使得描述在测量区域6中的流量和流动速度之间的关系的曲线平滑，使用相互不同的旁路通道可能是有利的。在图3中示出了这种情况的一个示例。在这种情况下，旁路通道21包括围绕测量管沿周向交替地布置的两种不同类型的旁路通道22、23。

在迄今为止的示例性实施例中，旁路通道17、22、23的每一者由旁路装置16、21周向地完全封闭。为了制造更紧凑的超声波仪表，或者为了简化旁路装置的制造，可能有利的是，仅部分地通过旁路装置界定旁路通道，并通过外管9或测量管11提供其余的侧壁。图4中示出了这种情况的一个示例。旁路装置24具有在测量管11上的内表面25。从该内表面，突起26、27径向地向外延伸，以便将所述突起的外表面52支承在外管9上。

旁路装置24还使用在流动方向上延不同的距离的突起26、27。由此实现的效果是，对于至少一些旁路通道，在测量管11的周向方向上限定相应旁路通道的两个侧壁28、29在流动方向上的不同位置处终止。由于柯恩达效应，从旁路通道流出的流体因此而偏转，这可能有助于破坏旋转对称性并因此稳定流动。

图5示出了另一个旁路装置30，该旁路装置与图1和2中使用的旁路装置16的不同之处在于，用于接收测量管11的凹部3相对于旁路装置30的中心偏置地布置。如此布置产生的效果是，测量管的在流动方向上延伸的直线32相对于外管9的沿流动方向延伸的中心线33偏置。这可以导致通过测量装置1输送的流动轮廓的旋转对称性被破坏，从而可以稳定流动行为。

为了进一步降低流动轮廓的对称性，和/或为了进一步降低超声波仪表1的流动阻力，旁路通道36的径向范围可以改变，如图6中所示的旁路装置34。原则上，还可以对所有旁路通道的范围进行改变。然而，在所示的示例性实施例中，交替使用在周向上具有恒定轮廓的旁路通道37和径向范围在测量管11的周向方向上取决于位置的旁路通道36。

如在引言中已经说明的那样，作为使用旁路15来围绕测量管11输送一部分流量的替代或补充，可以使用包括具有不同高度的突起的测量管。举例来说，图7表示测量管38，该测量管包括三个第一突起39和九个第二突起40。第一突起39具有突起高度41，即通过该突起高度，第一突起超过侧壁25的高度，这是第二突起40的突起高度42的1.5倍至2倍。第二突起40的突起高度可以是相邻的第一突起39和第二突起40之间的距离0.5倍至1.1倍。第一突起39和第二突起40的宽度44可以特别地比第一突起39和第二突起40之间的距离43窄，以便使具有高流速的测量管38的流动阻力最小化。

下面将参照图8说明测量管38中的流动特性，流动特性取决于流量。测量管38的流动横截面35可以被细分为边缘区域46、中央区域47和核心区域6以用于流动行为的近似描述，图1中表示的超声波束5优选地被引导通过核心区域48，即测量区域6位于核心区域48内。

如果通过测量管38输送相对低的流量，则边缘区域46、中央区域47和核心区域48中的流动在每种情况下都是层流的。由于核心区域48中的流体与内壁45最远地分开，所以流体在核心区域中最快地流动，而由于离壁距离小，流体在边缘区域46中流动最慢。即使具有相对低的吞吐量，由于大的离壁距离，核心区域48中的流动可能是湍流。

如果流量进一步增加，则中央区域47中的流动最初就变为湍流，由此整个体积流量的在中央区域47中被输送的比例增加。由于中央区域47中的流动变化，因此，核心区域48中的流速增加得更慢。边缘区域46中的流动最初保持层流。

在体积流量进一步增加的情况下，边缘区域46中的流动也变为湍流。因此，与低吞吐量相比，边缘区域46和中央区域47也对流体输送贡献更大，因此通过该流动变化，也减小了核心区域48中的流速随体积流量的增加。

关于测量管38的结构的进一步细节在图9中示出，图9示出了测量管38的三维视图。在该图中，可以看到第一突起39和第二突起40的突起宽度44在流体出口的方向上均初始地增加。测量管38的在流体出口侧的端部之前不远处，测量管38在流体出口侧处的区段50开始，其中第一突起39和第二突起40的突起宽度44又减小。在这些区域的过渡中，相应的突起高度41、42在边缘49处减小。在流体出口侧的区段50中，内壁45进一步在与第一突起39和第二突起40相邻的相应中间区域51被打断，以为了抵制例如在图1中所示的反射元件处的流体停滞。

图10示出了测量管53的示例性实施例，该测量管与图7中已经示出的测量管38相似，包括具有相互不同的突起高度的突起39、40。然而，另外，在测量管53中，在测量管的外壁中设置了旁路通道54。通过额外使用旁路通道，可以进一步增加使用该测量管53的超声波仪表的动态范围。为了简化超声波仪表的制造，旁路通道54直接穿过测量管53的侧壁12形成。然而，作为替代方案，也可以使用单独的旁路装置，例如参考图1-6所解释的。另一方面，代替单独的旁路装置，也可以相应地使用自身形成旁路通道的测量管。

如上所述，旁路通道54可以明显短于测量管。为了使所示的测量管和旁路装置的单件式构造成为可能，测量管53的侧壁12可以在要形成旁路通道54的区域中具有更大的壁厚，旁通通道54轴向通过该额外的壁厚。

如图11中示意性地表示的测量管55，旁路通道也可以由突起形成，所述突起设置在测量管55的侧壁12的外侧，优选地延伸直至外管9的如图1中所示的内壁。

到目前为止，示例性实施例示出了测量管11、38、53、55，除了突起之外，测量管具有基本上圆形的流动横截面，所述突起在周向方向上基本均匀地分布。然而，如图12中的示例所示，也可以使用矩形测量管57或任何其他期望的横截面形状。在这种情况下，突起39、40可以仅布置在彼此成角度放置的多个侧壁58、59中的一些侧壁上，或者仅布置在侧壁的在周向方向的部分表面上。

当超声换能器7、8布置在不包括突起的平坦侧壁59上时，所示的测量管57例如允许测量管的对角线照射。这避免了中心测量区域中的测量受到突起39、40的干扰，尽管仍然可以实现上述增加的测量动态范围。

附图标记列表

1 超声波仪表

2 流体入口

3 流体出口

4 流动通道

5 超声波束

6 测量区域

7 超声换能器

8 超声换能器

9 外管

10 反射元件

11 测量管

12 侧壁

13 突起

14 凹槽

15 旁路

16 旁路装置

17 旁路通道

18 旁路流量

19 旁路流量

20 中间区域

21 旁路装置

22 旁路通道

23 旁路通道

24 旁路装置

25 内表面

26 突起

27 突起

28 侧壁

29 侧壁

30 旁路装置

31 凹部

32 中心线

33 中心线

34 旁路装置

35 流动横截面

36 旁路通道

37 旁路通道

38 测量管

39 突起

40 突起

41 突起高度

42 突起高度

43 距离

44 突起宽度

45 内壁

46 边缘区域

47 中央区域

48 核心区域

49 边缘

50 区段

51 中间区域

52 外表面

53 测量管

54 旁路通道

55 测量管

56 旁路通道

57 测量管

58 侧壁

59 侧壁

Claims (24)

1.一种用于记录流体流速的超声波仪表，所述超声波仪表具有流体入口(2)、流体出口(3)和将所述流体入口(2)连接到所述流体出口(3)的流动通道(4)，所述流动通道(4)包括沿流动方向直线地延伸的测量管(11，38，53，55，57)，所述测量管(11，38，53，55，57)包括形成在所述测量管(11，38，53，55，57)的侧壁(12，58)的内壁(45)上的多个突起(13，39，40)，所述多个突起限定了所述测量管(11，38，53，55，57)的流动横截面(35)，并且所述多个突起沿流动方向在所述测量管(11，38，53，55，57)的长度的至少一部分上延伸，并且所述多个突起相对于所述侧壁(12，58)成一定角度地延伸预定的突起高度(41，42)，其特征在于，至少两个突起(39，40)相对于彼此具有不同的突起高度(41，42)，和/或所述流动通道(4)包括至少一个旁路(15)，流过所述流动通道(4)的流体的一部分可以通过所述至少一个旁路绕过所述测量管(11，38，53，55，57)。

2.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个突起垂直于所述侧壁延伸所述预定的突起高度(41，42)。

3.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述测量管(38，53，55，57)包括多个第一突起(39)和多个第二突起(40)，所述第一突起的突起高度(41)大于或等于一限制突起高度，所述第二突起的突起高度(42)小于所述限制突起高度，至少一个所述第二突起(40)沿所述测量管(38)的周向方向在形成于所述内壁(45)上的两个第一突起(39)之间形成。

4.根据权利要求3所述的超声波仪表，其特征在于，至少两个所述第二突起(40)分别沿所述测量管(38)的周向方向在形成于所述内壁(45)上的两个第一突起(39)之间形成。

5.根据权利要求3或4所述的超声波仪表，其特征在于，所述第一突起(39)的突起高度(41)是所述第二突起(40)的突起高度(42)的1.5倍至2倍，和/或所述第二突起(40)的突起高度(42)是在所述测量管的周向方向上相邻的突起(39，40)之间的距离(43)的0.5倍至1.1倍。

6.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，在所述测量管(11，38，53，55，57)的至少一个区段中，所述多个突起(13，39，40)中的至少一者的突起宽度(44)相应地在所述流体出口(3)的方向上增加。

7.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，在所述测量管(11，38，53，55，57)的流体出口侧的区段(50)中，所述测量管(11，38，53，55，57)的在周向方向上不同位置处的侧壁(12，58)在流动方向上的不同位置处终止。

8.根据权利要求7所述的超声波仪表，其特征在于，在所述流体出口(3)的方向上，所述侧壁(12，58)在其中沿着周向方向形成所述多个突起(13，39，40)的区域中比在沿着周向方向位于形成所述多个突起的所述区域之间的中间区域(20，51)中延伸得更远。

9.根据权利要求7或8所述的超声波仪表，其特征在于，在流体出口侧的区段(50)中，所述多个突起(13，39，40)中的至少一者的突起宽度(44)在所述流体出口(3)的方向上减小。

10.根据权利要求8所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个突起(39，40)中的至少一者的突起高度(41，42)在流动方向上的如下位置处以阶梯方式减小，所述位置为测量管(38)的在所述测量管(38)的周向方向上相邻于所述突起的中间区域(51)中的侧壁(12，58)终止的位置。

11.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个突起(39，40)的突起宽度(44)对于所述多个突起(39，40)中的至少两个是相互不同的，和/或在所述测量管(38)的周向方向上的所述多个突起(39，40)之间的距离(43)对于在周向方向上彼此相邻的所述多个突起(39，40)中的至少两对是相互不同的。

12.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个突起(13，39，40)的突起宽度(44)在0.7mm至2.0mm之间。

13.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个突起(13，39，40)在流动方向上的突起长度大于所述突起高度(41，42)，和/或所述多个突起(13，39，40)的突起宽度(44)小于突起高度(41，42)。

14.根据权利要求1所述的超声波仪表，其特征在于，所述旁路(15)至少部分地由单独的多个旁路通道(17，22，23，36，37)形成。

15.根据权利要求14所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)的每一个的流动横截面分别小于所述测量管(13，38，53，55，57)的流动横截面(35)。

16.根据权利要求14所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)比所述测量管(13，38，53，55，57)短，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)在流体入口侧和/或流体出口侧敞开到共同的旁路容积(18，19)中，所述共同的旁路容积将所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)流体地联接至所述流动通道(4)。

17.根据权利要求16所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)在流动方向上比所述测量管(11，38，53，55，57)短，所述测量管与所述多个旁路通道在流动方向上的长度之比至少为2。

18.根据权利要求17所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)在流动方向上比所述测量管(11，38，53，55，57)短，所述测量管与所述多个旁路通道在流动方向上的长度之比至少为5。

19.根据权利要求17所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)在流动方向上比所述测量管(11，38，53，55，57)短，所述测量管与所述多个旁路通道在流动方向上的长度之比至少为10。

20.根据权利要求14所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)布置成在所述测量管(11，38，53，55，57)的周向方向上围绕所述测量管分布。

21.根据权利要求14所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)布置在部分地形成所述流动通道的外管(9)和所述测量管(11，38，53，55，57)之间。

22.根据权利要求21所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)由布置在所述测量管(11，38，53，55，57)和所述外管(9)之间的旁路装置(16，21，24，30，34)形成，或由所述旁路装置与所述测量管(11，38，53，55，57)的外壁和/或由所述旁路装置与所述外管(9)的内壁一起形成。

23.根据权利要求22所述的超声波仪表，其特征在于，所述外壁(9)完全容纳所述测量管(11，38，53，55，57)，所述测量管(11，38，53，55，57)的沿流动方向延伸的中心线(32)相对于所述外管(9)的沿流动方向延伸的中心线(33)偏置。

24.根据权利要求14至23中任一项所述的超声波仪表，其特征在于，所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)中的至少两个在流动方向上具有彼此不同的长度和/或具有不同的横截面形状，和/或，对于所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)中的至少一个来说，在所述测量管的周向方向限定所述多个旁路通道(17，22，23，36，37)中的所述至少一个的两个侧壁(28，29)在流动方向上的不同位置处终止。

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