CN111183332A - 用于在没有相应其它变量的先验认知的情况下，借助于超声波，测量单层或多层样品的层厚和声速的方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对无法达到其内侧或下侧的管道、容器或者板(以下称为样品)的壁厚的测量。除此之外，本发明还涉及这些样品的涂层或者衬里的层厚的测量。公开了借助于以一发一收和脉冲回波配置方式的超声波发射器和超声波接收器的专门测量装置以及用于在不预知样品中的声速的情况下确定壁厚的相关方法。本发明的目的在于，不依赖于对样品(例如管壁、容器壁或者板)的声速的认知，测量样品的壁厚。另一目的在于，在不预知其声速的情况下，测量多层系统(例如具有涂层或衬里的管壁)的单个层厚。该方法和测量装置使得能够不依赖于对样品(例如管壁、容器壁或板)的声速的认知，测量壁厚。这使得管道的壁厚和内径的测量不确定度得以降低，并且由此使得外夹式超声波流量计的测量不确定度得以降低。

Description

用于在没有相应其它变量的先验认知的情况下，借助于超声 波，测量单层或多层样品的层厚和声速的方法和测量装置

技术领域

本发明涉及对无法达到其内侧或下侧的管道、容器或者板(以下称为样品)的壁厚的测量。除此之外，本发明还涉及这些样品的涂层或者衬里的层厚的测量。公开了借助于以一发一收和脉冲回波配置方式的超声波发射器和接收器的专门测量装置，以及用于在不预知样品中的声速的情况下确定壁厚的相关方法。

背景技术

例如在外夹式超声波流量测量中有必要在不触及内侧的情况下测量壁厚，在这种测量中，流量传感器被绑在现有的壁厚未知的管道上。而且，在例如用于确定容器的抗压强度的在非破坏性测试中，有必要在不进入内部空间的情况下测量壁厚。

外夹式超声波流量测量的精确性主要受管道内径的不定性的影响。可以简单且精确地用卷尺测量管道的外径。为了根据外径计算内径，必须知道管道的壁厚。壁厚确定中的误差最终表现为体积流量的测量误差。因此，必须尽可能准确地实现壁厚确定。由于外夹式流量测量的非侵入式的方式，只有在极少数情况下才能通过测微螺旋或游标卡尺，机械地测量壁厚或者内径。

可选地通过一个声音换能元件(发射器和接收器是相同的元件)或者通过两个声音换能元件(一发一收(Pitch-Catch)配置)，以脉冲回波法借助于超声波壁厚测量仪(WDM)进行的壁厚的测量对应于现有技术。在该方法中，垂直于样品表面，朝样品发射超声波脉冲。脉冲在样品(管道内壁或容器内壁、板)中多次反射。每次回波都由超声波壁厚测量仪的接收器接收。根据回波序列中的脉冲间隔并且借助于关于样品的声速的认知，就可以确定壁厚。为了获得足够精确的结果，必须先验已知声速。在通常情况下，仅根据材料的粗略评估并且根据表格化的数值，评估声速。对于钢样品，由于不同钢种的声速的散射，评估值可能会与真实值差2％。甚至没有考虑管壁声速的取决于温度的偏差(100℃的温差导致约1％的声速误差)。对于诸如铸铁或者塑料等钢以外的材料，评估误差会高得多。声速的错误评定直接导致壁厚的测量误差。如果在外夹式流量测量中考虑到这一测量不确定度，则对于大型管道(例如DN1000，壁厚25mm)，管道壁厚的2％的错误评估会导致0.2％的流量测量误差。对于小型且厚壁的管道(例如4“SCH 120)，流量测量的误差增长至1％。

根据专利US 6883376 B2，已知了一种在不知道其声速的情况下测量未知的管道壁厚的方法。不同于在此描绘的发明，该方法利用液浸和透射法。该方法要求待测量的管道必须装满水并且被浸入水浴中。该方法不适用于在不对其进行拆卸的情况下，在设备中测量现有的容器或者管道。

如果将传统的壁厚测量仪(WDM)用在有涂层或者衬里的管道上或者用于多层系统，则来自每个单个层的回波序列通常彼此重叠，导致无法继续毫无问题地对其进行估算，以确定壁厚。在单个层的特殊的层厚与声速比下，虽然可以估算回波序列(例如厚钢管壁上的薄塑料涂层)，但是根据现有技术，在不预知单个层的声速的情况下，无法确定单个的层厚。

为了测量隐藏的层或者多层系统中隐藏的层，专利US 2006191342 A1和US4398421 A描绘了由超声换能器构成的不同的测量装置。所描绘的测量装置被设计为，使得同时以纵波和表面波检查样品。在所引用的两种情况下，为了确定层厚，都必须已知所使用的波类型的声速。US 6070466 A涉及仅由不同的金属构成的多层系统的测量。独立的、倾斜的声音换能器产生横波，而可选的测量装置产生纵波。为了通过该方法确定层厚，必须已知单个层中的声速。这同样适用于根据专利US 5349860 A的被涂层隐藏的层的确定以及在US6035717 A中描述的用于管壁和涂层厚度测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于，不依赖于对样品(例如管壁、容器壁或者板)的声速的认知，测量该样品的壁厚。另一目的在于，在不预知其声速的情况下，测量多层系统(例如具有涂层或衬里的管壁)的单个层的厚度。

在下文中，描述了一种方法和一种测量装置，其使得能够不依赖于关于样品(例如管壁、容器壁或板)的声速的认知，测量壁厚。这使得管道的壁厚和内径的测量不确定度得以降低，并且由此使得外夹式超声波流量计的测量不确定度得以降低。通过该方法，可以在不预知其声速的情况下，测量多层系统(例如具有涂层或衬里的管壁)的单个层厚。

根据本发明，借助于超声波，通过测量超声波信号的渡越时间差，实现对单层或多层样品中的至少一个层的层厚和声速的测量，其中超声波信号在至少两个不同的路径上穿过样品。声音路径为此以不同角度，以相同声速，在样品的同一层中延伸。通过在单层或多层样品的表面上布置包括至少一个耦合体，包括至少两个声音换能器，生成声音路径。声音换能器在两个不同的声音路径上，将超声波信号，穿过耦合体，发射至样品，并且再次接收反射的超声波信号。超声波信号分别由通过样品内的多次反射产生的一系列回波构成。回波分别经过样品内的不同数量的声音路径。渡越时间差是连续回波的相互时间间隔，其中借助于在实施方案中详细阐述的公式(1.1)和(1.2)，实现层厚和层中的声速的计算。

经由具有不同入射角的测量装置，通过测定回波序列内的脉冲间隔，确定样品内的不同渡越时间。作为回波序列的自相关函数的第一辅助最大值的位置，计算第一渡越时间差，其中回波序列由超声波信号构成，这些超声波信号从声音换能器开始，以相对于样品表面的垂线的第一角度，至少n次和n+1次穿过样品，并且借助于穿过样品的待测量的层的n次背板反射，返回声音换能器，并且借助于穿过样品的n次背板反射，返回声音换能器。同样地，但是作为由超声波信号构成的回波序列的自相关函数的第一辅助最大值的位置，计算第二渡越时间差，这些超声波信号从声音换能器开始，以相对于样品表面的垂线的第二角度，至少n次和n+1次穿过样品的待测量的层，并且借助于穿过样品的n次背板反射，返回声音换能器。

对于该方法的另一实施方案，通过接通和关断声音换能器的有源声音换能器面的单个压电元件，已发射的超声波信号至少两次在两个声音路径上穿过样品，并且再次由声音换能器接收，其中声音换能器包含多个压电元件。

对于至少两层的样品，通过接通和关断声音换能器的有源声音换能器面的单个压电元件，为每个单个层，确定层厚和声速。特别有利的是，样品的上层的声阻抗比下层的声阻抗更小。

根据本发明的用于测量单层或多层样品的厚度和声速的测量装置借助于超声波来实现，并且可以利用上述方法。在样品的表面上布置有包括至少两个声音换能器的耦合体。声音换能器以定义的角度布置在耦合体上，使得超声波以入射角穿过耦合体，进入样品，并且穿过样品的一个层中的至少两个声音路径，并且由此处被反射回至少两个声音换能器。

耦合体的基本形状为长方体，并且其上遮盖面具有斜切的纵向侧边缘。

对于另一实施方案，在样品上或者在样品的单个层上布置有反射器，使得已发射的超声波信号至少两次在声音路径上穿过样品，并且由声音换能器再次接收。

对于另一实施方案，至少两个声音换能器以定义的角度布置在耦合体上，并且一个声音换能器被布置为垂直于样品表面。

对于另一实施方案，布置有至少两个外夹式流量传感器形式的声音换能器和一个超声波壁厚测量仪形式的声音换能器。

对于另一实施方案，以不同角度，在耦合体上布置有分别由两个声音换能器构成的两个发射器-接收器对，使得第一发射器-接收器对相对于样品表面成一定角度，而该角度不同于第二发射器-接收器对的角度。

对于一种实施方案，声音换能器由包括一个或多个压电元件的声音换能器阵列构成。可以通过接通和关断单个压电元件，限定声音换能器的有源声音换能器面。

在样品的声速未知或者仅以不确定度已知的情况下，相较于根据现有技术可能的壁厚测量而言，在本发明中公开的方法获得更精确的壁厚测量。

关于这一点，本发明描绘了多个测量装置，使得可以避开对于特定多层系统的回波序列的重叠，并且由此能够在不预知层的单个声速的情况下，测量单个层厚。

附图说明

根据实施方案，阐述本发明。图中示出：

图1示出了用于确定样品的声速和壁厚的测量装置的第一实施方案，

图2示出了用于确定样品的声速和壁厚的测量装置的第二实施方案，

图3示出了用于确定样品的声速和壁厚的测量装置的第三实施方案，

图4示出了用于确定样品的声速和壁厚的测量装置的第四实施方案，

图5示出了用于多层系统的层厚确定的测量装置的一种实施方案，

图6a示出了与样品表面的垂线成一定角度的倾斜测量的回波序列，并且

图6b示出了在钢板上进行垂直测量的回波序列，

图7a示出了根据图6a的回波序列的自相关函数，并且

图7b示出了根据图6b的回波序列的自相关函数。

具体实施方式

图1、图2、图3和图4示出了用于确定样品1的声速和层厚的测量装置的可能的实施方案。基本形状为长方体的耦合体2位于样品1的表面上，该耦合体包括上遮盖面202的斜切的纵向侧边缘203、204、205、206。耦合体2的耦合面201通过合适的(例如液态的)耦合剂，声学地与样品1耦合。在附图中，为相同的装置使用相同的附图标记。

在耦合体2上布置有声音换能器。原则上，所有声音换能器都可以实施为声音换能器阵列，即其可以由一个或多个压电元件构成，使得可以通过接通和关断压电元件，改变有源声音换能器面。声音换能器被定向为与样品表面成不同角度，使得发射的超声波信号至少两次在声音路径S₁和S₂上穿过样品1，并且由声音换能器再次接收。

在图1中示出了，超声波从声音换能器3，以入射角α₁，穿过耦合体2，被引导至声音换能器6，并且从声音换能器4，以入射角α₂，被引导至声音换能器5，使得在从发射器到接收器的路径上，超声波在声音路径S₁或者说S₂上至少一次穿过样品1。在图1中，第一纵向侧边缘203上的声音换能器3被布置为发射器，并且与作为接收器的声音换能器6相连，而该声音换能器被布置在与第一纵向侧边缘203相对的第二纵向侧边缘206上，其中超声波在声音路径S₁上经过。第一纵向侧边缘204上的声音换能器4作为发射器，通过声音路径S₂，被连接至作为接收器的声音换能器5，其被布置在与第一纵向侧边缘204相对的第二纵向侧边缘205上。

在图2中，仅布置有耦合体2的相应第一纵向侧边缘203、204上的两个声音换能器3和4。由这些声音换能器3和4以入射角α₁和α₂发射的超声波信号再次被相同的声音换能器3和4接收，因为其通过布置在耦合体2的第二纵向侧边缘205、206上的反射器7，被再次反射回去。

图3示出了对于在不知道所发射的超声波信号的声速的情况下确定样品1的层厚而言必要的声音路径。在该实施方案中，耦合体2具有两个纵向侧边缘203、206，在其上布置有声音换能器3和6。声音换能器3的压电元件301和声音换能器6的压电元件601是有源的。由声音换能器3发射超声波脉冲，该超声波脉冲根据声音路径10，以入射角α，穿过耦合体2，在样品1上反射，并且到达接收器6。一部分超声波脉冲被传送到样品1中，在此处以角度β，在内侧上反射，并且被引导至接收器6(声音路径11)。其它延迟的超声波脉冲通过样品1内的进一步的反射，到达接收器6(示例性地由声音路径12示出)。除了由声音换能器3和6构成的这一“倾斜布置”，在耦合体2的平行于耦合面201延伸的上遮盖面202上布置有“垂直布置”中的声音换能器8。相关的声音路径9垂直于样品1延伸，并且以虚线显示。超声波脉冲从声音换能器8开始，穿过耦合体2，被传送到样品1中。在样品1中，超声波脉冲被多次反射，并且回声序列回传到声音换能器8，该声音换能器作为接收器而接收这一回声序列。

图4示出了用于在不预知样品1中的声速的情况下确定样品1的壁厚的测量装置，其包括借助于两个耦合体2的传统外夹式流量传感器来作为声音换能器13和额外布置的传统超声波壁厚测量仪来作为声音换能器14。在此，包括一个或多个压电元件131的声音换能器13形成图3中显示的“倾斜布置”，包括一个或多个压电元件141的独立的声音换能器14形成“垂直布置”。外夹式流量传感器(声音换能器13)必须在样品中激发与超声波壁厚测量仪(声音换能器14)相同的波类型。典型的外夹式流量传感器(声音换能器13)在钢样品中产生横波，因此，必须使用横波超声波壁厚测量仪。如果与此相反，根据图4的装置被用于塑料样品，则外夹式流量传感器在样品1中产生纵波，并且必须使用纵波超声波壁厚测量仪。

图5示出了用于多层系统的层厚确定的测量装置。所显示的样品1由不同材料的两个层16和17构成。如图3所示地布置声音换能器3连同其压电元件301以及声音换能器6连同其压电元件601。不同于图3，关断了在图5中没有画叉的单个压电元件301、601。运行声音换能器3和6，使得标记有叉号的压电元件301、601是有源的。这导致声音换能器3和6的声音换能器面的缩小，并且导致声音路径18向左移位。显然，必然被激发的声音路径19被导向穿过下层17，而该声音路径击中在接收器6的已关断的压电元件601上。借助于示例性显示的接通和关断单个压电元件301、601的方法，可以避开多层样品时“倾斜布置”中的回波序列的重叠。

图6a示例性地示出了相对于样品表面的垂线成15°的入射角α的倾斜测量的回波序列，图6b示出了在4mm钢板上的垂直测量的回波序列。所示的回波序列由根据图3的包括由塑料制成的耦合体2的测量装置接收。

图7a和图7b示出了根据图6a和图6b的之前已经被分离的示例性回波序列的自相关函数。用垂直的线标记的辅助最大值描绘了相应回波序列的测得的时间脉冲序列间隔。

用于确定样品1的层厚w和声速c的方法基于两个超声波信号的渡越时间测量，这两个超声波信号经过穿过样品1的不同声音路径S₁和S₂。声音路径S₁和S₂的特征在于，其相对于样品表面的角度及其长度不同，而两个声音路径S₁和S₂上的超声波的声速相同。样品1中的声音路径S₁和S₂可以通过不同的测量装置实现。声音路径S₁和S₂上的信号穿过样品1的渡越时间测量的实现以及测量装置到样品1上的单侧耦合对于不同的测量装置而言都是共同的。

两个发射和接收声音换能器对3、6和4、5相对于样品面的垂线具有不同的入射角α₁和α₂，通过这两个发射和接收声音换能器对，能够以角度β₁和β₂，实现声音路径S₁和S₂，参见图1。然而，这并非描绘了唯一的实现可能性。发射器和接收器对不是必要的，当超声波信号在通过声音路径S₁或者说S₂穿过样品1后，在反射器7处被再次导向回声音换能器时，超声波信号的发射和接收也可以通过单个元件实现，参见图2。图3示出了由之前显示的测量装置构成的组合：发射器3和接收器6通过一发一收配置实现声音路径S₁，其以角度β₁，倾斜地延伸穿过样品1。与此相反，声音换能器8以同样的方式用作发射器和接收器，并且实现垂直地(β₂＝0)延伸穿过样品的声音路径S₂。最终，用于实现声音路径S₁或者说S₂的声音换能器不必安装在共同的耦合体2上。也有可能通过独立的耦合体单元，实现声音路径S₁或者说S₂，参见图4：通过两个独立的外夹式流量传感器13实现声音路径S₁(一发一收配置)，并且通过垂直于样品表面定向的声音换能器14实现声音路径S₂。

由发射声音换能器3、4通过耦合体2而传送到样品1中的超声波信号至少一次经过声音路径S₁或者说S₂。在超声波信号从样品1中逸出时，超声波信号被分成两个分量：一个分量被传送到耦合体中并且被引导至接收声音换能器5或者说6，而另一分量被反射回样品1中并且经过额外的声音路径S₁*或者说S₂*(参见图1)。S₁*或者说S₂*是样品1中相对于S₁或者说S₂平行移位的声音路径，并且因此具有相同的长度和相同的相对于样品表面的垂线的角度。已经在声音路径S₁*或者说S₂*上经过样品的超声波信号再次在耦合体2与样品1之间的边界层处分裂成透射分量(被引导至接收声音换能器5或者说6)和反射分量，该反射分量又在样品1中相对于S₁或者说S₂平行移位的路径上经过。

在样品1中，具有与S₁或者说S₂相同的长度以及相同的相对于样品表面的角度，但是由于在耦合体2与样品1的边界层处的反射而在样品内相对于其平行移位的所有声音路径在下文中也被称为声音路径S₁或者说S₂。

通过之前描述的在样品1内的多次反射，根据多个信号分量的重叠，产生要接收的超声波信号，其中这些信号分量经过样品中不同数量的声音路径S₁或者说S₂。因此，单个信号分量具有到接收声音换能器上的不同的到达时间。所描述的信号分量的重叠被称为回波序列：时间上的第一信号分量从不经过声音路径S₁或者说S₂(在样品表面上反射并且被引导至接收器)，第二信号分量经过声音路径S₁或者说S₂一次，稍后的信号分量多次经过S₁或者说S₂的长度的声音路径。

每次在声音路径S₁或者说S₂上经过样品1，相应信号分量到达接收器的到达时间都会延迟渡越时间差Δt₁或者说Δt₂。由此，在接收器5或者说6上产生回波序列形式的超声波信号。超声波信号内经由声音路径S₁或者说S₂到达的信号分量的时间间隔(“回波序列间隔”)为渡越时间差Δt₁或者说Δt₂。通过样品1的层的层厚w、样品1的层中的声速c、耦合体2中的声速c_α和入射角α₁或者说α₂确定渡越时间差Δt₁或者说Δt₂。声音路径S₁或者说S₂本身通过层厚w和经由入射角α₁或者说α₂实现的折射定律确定。根据测量装置的构造，已知这些角度。最终，能够根据渡越时间差Δt₁和Δt₂的测量大小，为两个未知量层厚w和声速c列出两个等式。

在此利用缩写记法

其中

或者说

是在耦合体2中具有角度α₁或者说α₂的测量装置中声音换能器的传感器常数，并且Δt₁是声音路径(S₁)上的超声波信号内的回波的时间间隔，Δt₂是声音路径(S₂)上的超声波信号内的回波的时间间隔。

通过以下方式定义传感器常量

其中i＝{1,2}，并且

c_α是耦合体(2)中的声速，

α_i是声射线相对于耦合体(2)中的垂线的角度。

在下文中，用根据图3的示例性测量装置，更详细地描绘用于在不预知相应其它变量的情况下，确定样品1的层厚w和样品1中的声速c的方法和等式。超声波信号由发射的声音换能器3或者说8，经由耦合体2和适当的耦合剂，部分地传送到样品1中。一部分超声波在样品表面上被反射至接收的声音换能器6或者说8。在样品1中，超声波信号被至少一次地在背板处反射，并且随后穿过耦合体2，被引导回接收声音换能器。对于倾斜的测量装置，声音路径10和11引起接收器6处两个时间上连续的超声波信号，并且形成用于声音路径S₁的回波序列。根据该回波序列，根据两个脉冲之间的时间间隔，确定渡越时间差Δt₁。在垂直的测量装置中，声音路径9上的超声波信号在样品1中多次反射，并且多次经过声音路径S₂。声音换能器8上的接收信号因此也代表了在两个脉冲之间具有时间间隔Δt₂的回波序列。耦合体2上例如安装有压电元件801、301和601作为声音换能器8、3和6，而该耦合体可以由诸如聚苯硫醚、聚醚醚酮或者聚苯砜等技术塑料制成。然而，也可以考虑包括钢耦合体的变动方案，以便确保提高的工作温度。由压电元件801构成的声音换能器8以定向为相对于样品表面的垂线的角度为0°的方式，即以平行于样品表面的方式安装在耦合体2上。两个另外的声音换能器3和6分别由一个平面内的一个或多个压电元件203或者说601构成，这两个声音换能器以相对于样品表面的角度不为零的方式安装在耦合体2上，例如以16°的角度安装在塑料耦合体上，以在钢样品中激发纵波，或者以40°的角度安装，以在钢样品中激发横波(倾斜测量)。

为了样品1中的声速在两个声音路径S₁和S₂上都相同，倾斜布置的角度必须尽可能低于第一临界角度。当倾斜测量的角度高于第一临界角度，但低于第二临界角度时，为了执行该方法，必须使用横波垂直声音换能器来进行垂直测量。对于在图4中显示的实施方案，借助于外夹式流量传感器13和钢制成的样品1，得出这种情况。

在下文中，公开了一些公式，其用于包括垂直测量装置和倾斜测量装置的实施方案的特殊情况。

为了确定样品1中的声速c，借助于之前显示的测量装置(“倾斜测量”和“垂直测量”)，确定渡越时间差Δt₁和Δt_垂直。通过根据(1.3)的等式，可以根据这两个测量值，确定样品1中的声速c和层厚w。以α₂＝β₂＝0和Δt₂＝Δt_垂直，作为根据(1.1)的特殊情况，得出公式(1.3)。

Δt_垂直是声音路径S₂上的渡越时间差，并且对应于超声波信号之间的回波序列间隔，其中这些超声波信号从发射器8开始，在垂直于样品表面的方向上，n次和n+1次地穿过样品1，并且返回接收器8(借助于样品1中的n次背板反射)。在垂直测量的情况下，发射器和接收器是同一声音换能器。在倾斜测量的情况下，发射器3和接收器6是不同的声音换能器。

Δt₁是声音路径S₁上的渡越时间差，并且对应于超声波信号之间的回波序列间隔，其中这些超声波信号从发射器3开始，以相对于样品表面的垂线的角度β₁，n次和n+1次地穿过样品1，并且返回接收器6(借助于穿过样品1的n次背板反射)。声音路径10和11呈现了n＝1的情况。

借助于自相关函数，根据所接收的回波序列，确定回波序列间隔。图6b示出了在4mm厚的钢板上进行的垂直测量的回波序列。如果将自相关函数用于该回波序列，则在自相关函数中，除了0时的绝对最大值，还出现第一相对最大值(下文称为第一辅助最大值)：对于根据图7b(4mm钢板)的实施例，产生1.322μs的垂直测量的回波序列间隔。

根据图6a的实施例中的倾斜测量的回波序列并非可明显识别为脉冲序列。然而，在该回波序列的自相关函数中，仍可估算第一辅助最大值的位置。如果没有清楚地标明该辅助最大值，则可以利用下列条件，即倾斜测量中的回波序列间隔小于垂直测量中的回波序列间隔。借助于该条件，在倾斜测量的回波序列的自相关函数中，估算正确的辅助最大值。在所列举的实施例中，测定出1.049μs的倾斜测量的回波序列间隔。在用在计算公式(1.3)中的情况下，这两个测量值得出5996m/s的声速c和3.963mm的层厚w。

为了确定多层系统中的单个层厚w，用之前描述的方法测量样品1中的每个单个层16和17。为了能够估算来自单个层16和17的渡越时间，通过接通和关断单个压电元件301、601，避免回波序列的重叠。在图5中示例性地示出了用于测量两层系统的层厚w和声速c的测量装置。倾斜装置由声音换能器对15构成，其本身由可单个地接通和关断的压电元件301或者说601构成。在图5中用叉号标出了有源的元件。首先，测量样品1的上层16。至少一次穿过样品1的下层17的信号分量向右偏移一段距离，使得其仅击中接收换能器的无源元件，并且由此隐去。在接收器上接收的回波序列因此只包含来自耦合体2和样品1的上层16的信号分量。根据图5，也可以看出，该回波序列由未经过层16以及经过该层一次和两次的信号分量形成。根据该回波序列，确定渡越时间差Δt₁。

在图5中来自通过声音换能器8实现的垂直测量的回波序列由经过两个层16、17中的声音路径的信号分量构成。以这样一种方式对其进行分离，即对于渡越时间差Δt_垂直的估算，仅考虑来自层16或17的信号分量。举例而言，通过仅提出回波序列的第一的两个脉冲来进行估算，这有可能用于估算层16。

对应地，通过公式(1.3)，可以确定样品1的上层16的层厚w和声速c。

为了测量样品1的下层17，在声音换能器对15的接收器上，激活位于更右侧的元件(未用叉号显示的)，并且关断之前激活的元件(用叉号显示的)。现在，接收了由下层17中的多次反射构成的回波序列(回波序列由至少一次倾斜地穿过层17的信号分量构成)，并且基于层17中的多次反射，估算脉冲序列间隔。只有当通过改变接收换能器面而绝大部分地隐去来自上层16的其它回波，或者相较于下层17，更强烈地抑制上层16中的多次反射时，这才能成功。此外，可以利用之前获得的关于上层16的层厚的认知，以预告来自上层16的回波的时间位置，并且由此将其从用于下层17的时间脉冲序列间隔的估算中移除。

以这样一种方式分离来自图5中的垂直测量8的回波序列，即对于渡越时间差Δt_垂直的估算，只考虑来自下层17的、至少一次垂直穿过层17的信号分量。因此，例如可以仍旧不考虑回波序列的第一的两个脉冲，并且只提出第三和进一步的后续脉冲来确定渡越时间差。

附图标记

1 样品

2 耦合体

201 耦合面

202 耦合体2的遮盖面

203、204、205、206 纵向侧边缘

3 声音换能器

301 压电元件

4 声音换能器

5 声音换能器

6 声音换能器

601 压电元件

7 反射器

8 声音换能器

801 压电元件

9 声音路径

10 声音路径

11 声音路径

12 声音路径

13声音换能器(外夹式流量传感器)

131 压电元件

14 声音换能器(超声波壁厚测量仪)

141 压电元件

15 声音换能器

16 样品1的上层

17 样品1的下层

18 声音路径

19 声音路径

α₁、α₂ 声射线相对于耦合体2中的垂线的角度

β₁、β₂ 声射线相对于样品1中的垂线的角度

S₁、S₂ 样品的层中的声音路径

S₁*、S₂* 样品的层中相关于S₁、S₂平行移位的声音路径

Δt₁、Δt₂ 声音路径S₁、S₂上的超声波的渡越时间差

Δt_垂直 垂直测量时声音路径S₁上的渡越时间差

c 样品1中的声速

c_α 耦合体2中的声速

w 层厚

耦合体2中具有角度α₁或者说α₂的测量装置的传感器常量。

Claims (12)

1.一种用于借助于超声波的通过测量超声波信号的渡越时间差(Δt₁、Δt₂)而测量单层或多层的样品(1)中的层的层厚(w)和声速(c)的方法，所述超声波信号在至少两个不同的声音路径(S₁、S₂)上穿过所述样品(1)，其中所述声音路径(S₁、S₂)以不同的角度(β₁、β₂)，以相同的声速(c)，在同一层中延伸，其中通过在单层或多层的所述样品(1)的表面上布置至少一个耦合体(2)，产生所述声音路径(S₁、S₂)，所述至少一个耦合体包括至少两个声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)，其中所述声音换能器在两个不同的所述声音路径(9、10、11、12、18、19)上，将所述超声波信号，穿过所述耦合体(2)，发射到所述样品(1)中并且再次接收所述超声波信号，并且所述超声波信号分别由通过所述样品(1)内的多次反射产生的一系列回波构成，其中所述回波分别经过所述样品中的不同数量的所述声音路径(S₁、S₂)，

其特征在于，

所述渡越时间差(Δt₁、Δt₂)是连续回波的相互时间间隔，其中借助于下列等式，实现层厚(w)和所述层中的声速(c)的计算：

其中

c是所述样品(1)的层中的声速，

w是所述样品(1)的层的层厚，

Δt₁是所述声音路径(S₁)上的超声波信号内的回波的时间间隔，

Δt₂是所述声音路径(S₂)上的超声波信号内的回波的时间间隔，

是所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)的传感器常量，其中通过以下方式定义所述传感器常量

其中i＝{1,2}，并且

c_α是所述耦合体(2)中的声速，

α_i是声射线相对于所述耦合体(2)中的垂线的角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

作为回波序列的自相关函数的第一辅助最大值的位置，确定所述渡越时间差(Δt₁)，其中所述回波序列由超声波信号构成，所述超声波信号从声音换能器(3)开始，以相对于样品表面的垂线的角度(β₁)，至少n次和n+1次穿过所述样品(1)的待测量的层，并且借助于穿过所述样品(1)的n次背板反射，返回声音换能器(3)或者声音换能器(5)，并且作为回波序列的自相关函数的第一辅助最大值的位置，确定所述渡越时间差(Δt₂)，其中所述回波序列由超声波信号构成，所述超声波信号从声音换能器(8)或者声音换能器(4)开始，以相对于样品表面的垂线的角度(β₂)，至少n次和n+1次穿过所述样品(1)的待测量的层，并且借助于穿过所述样品(1)的n次背板反射，返回声音换能器(8)、声音换能器(4)或者声音换能器(5)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过接通和关断所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)的有源声音换能器面的单个压电元件(301、601、801；131、141)，选择在所述声音路径(S₁、S₂)上穿过所述样品(1)的且碰撞在所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)处的信号分量，其中所述声音换能器包含多个压电元件(301、601、801；131、141)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

对于至少两层的样品(1)，通过接通和关断所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)的有源声音换能器面的单个压电元件(301、601、801；131、141)，为每个单个层，确定所述层厚(w)和所述声速(c)。

5.一种用于借助于超声波测量单层或多层的样品(1)的层厚(w)和声速(c)的测量装置，其中在单层或多层的所述样品(1)的表面上布置至少一个耦合体(2)，所述至少一个耦合体包括至少两个声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)，所述声音换能器以定义的角度布置在所述耦合体(2)上，使得所述超声波以入射角(α₁、α₂)，穿过所述耦合体(2)，进入所述样品(1)中，并且经过所述样品(1)的层中的至少两个声音路径(S₁、S₂)，并且由此处以角度(β₁、β₂)反射回至少两个所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，

所述耦合体(2)的基本形状为长方体，并且其上遮盖面(202)具有斜切的纵向侧边缘(203、204、205、206)。

7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，

在所述样品(1)上或者在所述样品(1)的层(16、17)上布置有反射器(7)，使得已发射的超声波信号至少两次在所述声音路径(S₁、S₂)上穿过所述样品(1)，并且由所述声音换能器(3、4、5、6、8、13、14、15)再次接收。

8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，

至少两个声音换能器(3、4、5、6、13、15)以定义的角度布置在所述耦合体(2)上，并且一个声音换能器(8、14)被布置为垂直于样品表面。

9.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，

布置有至少两个外夹式流量传感器形式的声音换能器(13)和一个超声波壁厚测量仪形式的声音换能器(8)。

10.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，

以角度(α₁、α₂)，在所述耦合体(2)上布置有分别由两个声音换能器(3、4、5、6、13、15)构成的两个发射器-接收器对，使得第一发射器-接收器对相对于样品表面成角度(β₁)，所述角度不同于第二发射器-接收器对的角度(β₂)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，

所述声音换能器(3、6、8、13、14)由包括一个或多个压电元件(301、601、801、131、141)的声音换能器阵列构成。

12.根据权利要求11所述的测量装置，其特征在于，

通过接通和关断单个压电元件(301、601、801、131、141)，确定包括多个压电元件(301、601、801、131、141)的所述声音换能器(3、6、8、14)的有源声音换能器面。

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