CN113227723A

CN113227723A - 用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置

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Publication number: CN113227723A
Application number: CN201980086621.7A
Authority: CN
Inventors: C·伯特伦; A·法伊弗
Original assignee: Sensing Spectrum LLC
Current assignee: Sensing Spectrum LLC; Sensus Spectrum LLC
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-08-06
Also published as: RU2770172C1; IL282410A; AU2019364663A1; WO2020083805A1; PL3870939T3; US11796360B2; EP3870939A1; US20210356303A1; EP3870939C0; EP3870939B1; DE102018126613A1; DE102018126613B4

Abstract

本发明涉及一种用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置，包括具有管壁(14)的测量管(12；112)，至少一个用于发送声学信号和/或接收声学信号的超声波传感器(18、20；116)，超声波传感器具有超声波传感器顶部(21)和支撑元件(22)，其中，在管壁(24)中设置有至少一个第一类型的开口(28；116)，在开口中能插入至少一个超声波传感器(18、20；116)，并且其中，测量装置(10；110)具有装配状态，在装配状态下支撑元件(22)环形地包围测量管(12；112)，并且定位在插入到第一类型的开口(28；116)中的至少一个超声波传感器(18、20；116)的外部。

Description

用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置。特别地，本发明涉及一种用于根据传输时间差方法借助于超声波传感器来确定流过管区段的流体的流量的测量装置。

背景技术

在根据传输时间差方法借助于超声波传感器来确定流过管区段的流体的流量时，声学信号借助于超声波传感器耦合到测量管中。超声波接收器在信号的预定路径的末端接收信号。通过将信号的测量的传播时间与流体在测量管中不流动的状态中的信号的测量的传播时间相比，可以根据测量管几何形状的知识确定流动的流体通过测量管的流量。

关于超声波传感器在测量管上的布置，原则上分为两种类型。在一方面，一种是已有的测量装置，其中超声波传感器固定在测量管的外侧上。这种所谓的Clamp-on(夹持式)测量装置可以在结构技术上相对简单地实现，然而具有如下缺点，即，超声波必须通过测量管的管壁传递，这通常导致测量信号的减弱。

在另一种测量装置结构中，在测量管的管壁中设置有开口，超声波传感器布置在开口中，使得声音不必通过管壁耦合到流体中。这种类型的测量装置提供了非常好的测量结果，但是对测量装置本身，特别是对超声波传感器和超声波传感器在测量管中的安装提出了相对高的要求。因此，一方面在测量装置的密封性方面存在特别的挑战。超声波传感器直接受到在测量管中流动的流体的影响。超声波传感器除了与流体接触外，还会受到流体引起的压力和温度波动的影响。

如果超声波传感器以液体密封的方式插入到设置在测量管中的开口中，则存在测量管中的受压流体将超声波传感器向外压的风险。因为超声波传感器不再位于常规的位置中，所以这会导致测量结果失真。

为了使超声波传感器可靠地保持在测量管中，超声波传感器通常设置有螺纹并拧入到测量管的设有螺纹的开口中。

已经发现，在这种类型的固定中，测量管中的压力和/或流体的温度和压力波动会被传递到超声波传感器，这会导致测量值出现非期望的偏差。此外，螺纹连接在使用粉末涂层的测量管时是不太合适的，因为在将超声波传感器拧入到测量管的开口中时粉末涂层可能会被损坏，从而导致固定部位处的腐蚀敏感性。这对于在潮湿的环境条件下，例如在开放场地中使用的测量装置特别重要。

此外，已经尝试将超声波传感器插入在测量管中设置的相应的开口中，使得测量管中的受压流体不会将超声波传感器向外压。然而，这并不容易实现，因为在安装超声波传感器时要注意超声波传感器，特别是耦合元件无应力地安装。耦合元件的压缩影响耦合元件的声学特性并且在最极端情况下甚至会损坏耦合元件或超声波传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于根据传输时间差方法借助于超声波传感器来确定流过管区段的流体的流量的测量装置，其中，超声波传感器可靠地固定在测量管的开口中并且优选不暴露于会导致超声波传感器损坏的外力，并且其中尽可能地在潮湿的环境条件下不会对测量管造成腐蚀。

根据本发明，所述目的通过一种用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置来实现，该测量装置包括具有管壁的测量管，用于发送声学信号和/或接收声学信号的至少一个超声波传感器以及支撑元件，其中，在管壁中设置有至少一个第一类型的开口，至少一个超声波传感器可以插入该第一类型的至少一个开口中，并且其中，测量装置具有装配状态，在该装配状态下支撑元件以环形方式包围测量管并且定位在插入到第一类型的开口中的至少一个超声波传感器的外部。

在本文中，超声波传感器可以插入、拧入到开口中或者以任意其它形式和方法固定在开口中。

根据本发明的解决方案的优点在于，当在测量管内部流动的流体对超声波传感器施加压力时，支撑元件用作为至少一个超声波传感器的固定。此外，支撑元件如此固定在测量管上，使得在测量管本身上不需要有螺纹连接或类似的固定装置。例如这因此避免了测量管上的附加的孔或开口，这些附加的孔或开口在持续使用中可能会削弱测量管。

在一种优选的实施方式中，支撑元件不受压力地定位在超声波传感器的顶部上。在一种运行状态中，其中流过测量管的流体没有对超声波传感器施加压力，支撑元件不受压力地定位在至少一个超声波传感器上，以避免由于支撑元件在测量管上的固定而将应力传递到超声波传感器上。然而，当流过测量管的流体对超声波传感器施加压力时，支撑元件负责使超声波传感器保持在其位置中。

有利的是，测量管被构造为无螺纹的。尤其是在使用由粉末涂层的金属制成的测量管时，由此防止在拧入构件时造成粉末涂层的损坏。由此，该测量装置也适用于在潮湿的环境条件下使用，因为避免了腐蚀。

通常，超声波传感器的具有平坦的顶部。优选地，支撑元件在装配状态下在横截面中形成闭合线，其具有多边形的走向，特别是六边形。由此，与支撑元件的圆形横截面相比，支撑元件与超声波传感器之间的支承面有所增大。其结果是，当在测量管内部流过的流体对超声波传感器施加压力时，支撑元件可以施加一个相对较大的反作用力。

特别有利的是，支撑元件在装配状态下在横截面中具有对称的形状，以便实现均匀的力的分布。

优选地，测量管具有支承面，并且支撑元件的横截面形状与由测量管上的支承面形成的轮廓互补。支承面可以由管壁本身、超声波传感器的顶部和测量管的顶部形成。因此，支撑元件可以无间隙地或几乎没有间隙地固定到测量管上，并且在测量管内流动的流体不对超声波传感器施加任何压力的正常运行状态下，支撑元件可以不受压力地定位在超声波传感器上。

为了使装配简单，有利的是，支撑元件包括至少两个固定支架，其中，至少两个固定支架可以相互连接。

支撑元件优选地具有带有至少两个固定部的固定支架，其中，固定部以预先给定的角度相互连接，以便支撑元件可以与测量管的几何形状相匹配。固定支架优选地被一体地或单件地构造。

为了具有与带有平坦顶部的超声波传感器相比相对较大的支承面，有利的是，至少一个固定部被构造为板状的。固定部的尺寸，尤其是宽度应当与超声波传感器的尺寸相匹配。优选地，固定部的宽度大于超声波传感器的宽度。

为了能够简单地将两个支撑元件彼此连接，有利的是，至少一个固定部具有固定法兰。

支撑元件在测量管上的特别简单的装配可以通过以下方式实现，即支撑元件具有固定支架，在该固定支架中以一个基部两个腿部的形式设置有三个固定部，其中腿部布置在基部的相对置的端部上并以预先给定的角度背离基部，其中，在每个腿部的自由端部上设置有固定法兰。

由此支撑元件可以适用于测量管的预先给定的几何形状并且可以简单并可靠地相互连接。例如，两个支撑元件(其中，腿部与基部分别形成120°的角)可以包围具有六边形横截面的测量管。

各个支撑元件例如可以借助螺纹连接相互连接。

在一个优选的改进方案中，在至少一个固定部中设置有贯穿部，从而其它构件(例如温度传感器或压力传感器)可被固定在测量管上。

为了使支撑元件尽可能无间隙的在测量管上保持固定，每个固定部在测量管上都分配有支承面。

在优选的实施例中，测量管的管壁具有外侧，该外侧在横截面中具有有角的轮廓并且具有在轴向方向上延伸的表面部段。由此形成用于至少一个超声波传感器和支撑元件的支承面。

在此特别有利的是，测量管具有至少一个第一类型的表面部段(其中设置有至少一个第一类型的开口用于容纳至少一个超声波传感器)和至少一个第二类型的表面部段，其上逐段地贴靠有支撑元件。

在一个实施例中，例如测量流动通过测量管的流体的物理参数(例如温度或压力)，有利的是，在管壁上设置有具有顶部和具有至少一个用于容纳测量传感器的第二类型开口的测量传感器，其中，测量管具有至少一个第三类型的表面部段，测量传感器布置在该表面部段上。该第三类型的表面部段可以如此构造，使得支撑元件在装配状态下定位在测量传感器的顶部。因此，即使在使用测量传感器的情况下，支撑元件的横截面也可以保持对称形状，以便使作用在超声波传感器上的力均匀地分布。

在一个实施例中，在使用多个测量传感器的情况下，每个第二类型的表面部段可以由第三类型的表面部段代替。

在一个优选的改进方案中，设置有多个超声波传感器，其中，各两个超声波传感器形成发射器-接收器对并且布置在测量管的轴向方向上，并且其中，设置有至少两个发射器-接收器对，其沿着测量管的圆周布置。如此设置多个发射器-接收器对提高了测量精度以及测量安全性，因为发射器-接收器对中的误差可以通过与其它的发射器-接收器对进行比较来确定。

附图说明

借助附图进一步详细阐述优选的实施方式，其中：

图1以分解图示出了测量装置的透视图，

图2以透视图示出了测量管，

图3示出了固定支架，

图4示出了处于装配状态的测量管，

图5示出了在装配状态下测量装置的横截面，和

图6示出了用于确定流过管区段的流体的流量的测量装置的横截面，其中使用支撑元件是有利的。

具体实施方式

图1示出了在拆卸状态下的用于确定流过管区段的流体的流量的测量装置10。

用于实施本发明的方式以及商业上的可用性：

测量装置10包括具有管壁14的测量管12。在测量管12的两端布置有管法兰15，以便能够将测量管12安装到现有的管系统中。

测量管12例如由粉末涂层的金属制成。也可以使用其它材料，例如塑料或无涂层的金属。

此外，设置有三对超声波传感器16，然而在图1中仅可看到其中的两个。每对超声波传感器16由用于发送声学信号的超声波传感器18和用于接收声学信号的超声波传感器20组成。每对超声波传感器16各自沿测量管12的纵向轴线对齐。三个超声波传感器对16沿着测量管的圆周彼此以120°的距离等距地布置。

此外，测量装置10包括具有固定支架24的支撑元件22。

在测量管12的管壁14中设置有用于容纳超声波传感器16、18的第一类型的开口28。此外，在管壁14上加工有第二类型的开口30，以容纳测量传感器32，例如用于测量流过测量管12的流体的温度和/或压力。

第一类型的开口28和第二类型的开口30都不具有螺纹。类似地，在管法兰15上也没有设置具有螺纹的开口。

如特别地在图2和图5中可见，测量管12具有管壁14，该管壁具有在横截面中示出带有有角的轮廓的外侧。详细地说，它是六边形的横截面，其中六边形的边长是不同的。

此外，第一类型的表面部段36、第二类型的表面部段38和第三类型的表面部段40设置在测量管12的外侧，其分别在轴向方向上延伸。在第一类型的表面部段36中，设置有用于超声波传感器18、20的第一类型的开口28。在第三类型的表面部段40中设置有用于容纳测量传感器32的第二类型的开口30。在当前案例中，设置有三个第一类型的表面部段36，其中，在两个第一类型的表面部段36之间分别布置有一个第二类型的表面部段38或一个第三类型的表面部段40。

测量管12在内部具有圆形横截面。

图3以透视图示出了固定支架24。固定支架24包括三个板状的固定部，形成一个基部42和两个腿部44。腿部44被设置在基部42的相对置的端部，并且与基部42成120°的角。在每个腿部44的自由端部上设置有固定法兰46。两个固定法兰46分别指向外部。在腿部44中加工有用于测量传感器32的贯穿部48。固定支架24被一体地或单件地构造并且优选地由金属元件弯曲而成。可替代地，固定支架24也可以一体地或单件地由塑料或其他合适的材料制成。

在图4中示出了处于装配状态的测量装置10。

超声波传感器16、18插入到第一类型的开口28中并且优选地以浮动方式安装。浮动安装可以理解为，其中，超声波传感器虽然流体密封地布置在开口中，但是尽可能低摩擦地或者仅以小的夹紧力保持在开口中。在图6中示出了这样的示例。

每两个固定支架在其固定法兰46上为构造支撑元件22而相互连接。每个支撑元件22形成一种环，其沿着测量管12的圆周延伸。两个支撑元件24彼此相邻地且彼此相隔有距离地布置在测量管12上，其中，每个支撑元件24覆盖至少一个超声波传感器18、20。

因为超声波对16沿着共同的圆周线位于测量管12上，所以两个支撑元件22足以将超声波传感器18、20固定在测量管12上。

仅固定支架24是彼此相互连接的。不存在到测量管12的固定连接。因此，在测量管12处不需要孔或支撑器件来将支撑元件22固定在测量管12处。通过测量管12和支撑元件22的有角的几何形状以及通过在测量管12中设置测量传感器32来实现支撑元件24在测量管12上的固定，其中测量管12和支撑元件22的有角的几何形状足以将支撑元件22牢固地固定在测量管12上。

图5示出了装配好的测量装置10的横截面。两个支撑元件22在横截面中具有六边形的形状。六边形对称地、尤其是规则地以相同的边长构成。

在所示的实施方式中，设置有测量传感器32。因为该测量传感器32穿过支撑元件22中的开口，所以测量传感器32预先规定支撑元件22对准测量管12。具有用于测量传感器32的贯穿部48的腿部44安置在第三类型的表面部段40上。由此得到，剩余的腿部和基部部段以由支撑元件22预先给定的顺序安置在其余的表面部段上。

支撑元件22在此不受压力地放置在每个超声波传感器18、20的顶部21上，而支撑元件22直接放置在第二类型的表面部段38上。在第三类型的表面部段40的区域中支撑元件位于测量传感器32的顶部上。因此，在该实施方式中，每个超声波传感器18、20的顶部，第二类型的表面部段38和测量传感器32的顶部形成用于支撑元件22的支承面。

在运行状态中，流体流过测量管。在这种情况下，即，测量管12内部的压力升高，使得超声波传感器18、20从其位置被压出，支撑元件22施加反作用力或支撑元件22防止超声波传感器18、20从其位置移出。如果设置有多个分布在圆周上的超声波对16，则支撑元件22的对称结构负责使每个超声波传感器18、20可靠地保持在其位置中。

支撑元件22由具有低热膨胀系数的材料制成，以便即使在环境温度波动的情况下也能使超声波传感器18、20可靠地保持在测量管12上，即使在测量管12的内部流动的流体对超声波传感器18、20施加了大的压力。

此外，有利的是，第一类型的支承面36和第二类型的支承面38或第三类型的支承面40沿着测量管12的圆周交替地设置，以便在由于流体产生内压的情况下防止各个超声波传感器18、20的压力载荷。

在一种未示出的实施方式中，支撑元件也可以具有不同于六边形的基本形状。因此，本发明也可用于圆形的或具有与所给出的几何形状不同的有角的几何形状的测量管中。此外，支撑元件的横截面的形状必须与测量管的圆形的或有角的几何形状像匹配。在此也可以使用不具有基部、弯折的腿部或基部、直的腿部和弯折的腿部的组合的支撑元件。附加地或替代地，多于两个支撑元件可以相互连接。

如果可能，支撑元件的每个固定支架部段应紧密地贴靠在测量管的顶部上。测量管的顶部可由测量管的表面部段，由超声波传感器的顶部以及由测量传感器的表面形成。

然而，这样的实施例是特别有利的，即，支撑元件具有对称的横截面，并且超声波传感器围绕测量管等距离地布置。

如果不需要使用测量传感器32，则第三类型面40可以通过第二类型面38来代替。

在图6中以横截面示出了用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置110，其中使用支撑元件22是特别有利的。

图6示出了在带有内管114的测量管112中的超声波组件116。测量管112的外壁对应于图1至图5中所示的测量管的外壁，因此测量管112具有开口118，超声波组件116布置在开口118中。测量管112的开口118没有螺纹，因此超声波装置被插入到测量管112的开口118中。

超声波传感器组件116包括具有容器126和圆周边缘128的壳体124，容器126具有开放的顶部130，并且容器126的顶部130处的圆周边缘128以向外偏移的方式一体地固定在容器126上。此外，设置有楔形的耦合元件132，在该耦合元件上布置有压电元件。壳体124用浇注材料136填充，使得超声波传感器组件116被流体密封地构造。

在圆周边缘128的底部134上为公差补偿元件158设置有容纳部156。公差补偿元件158的容纳部156以环形槽的形式沿着向外偏移的圆周边缘128的外圆周延伸。公差补偿元件158被构造为弹性的环形带。

圆周边缘128借助于公差补偿元件158放置在测量管112上。公差补偿元件158被容纳在被构造为槽的容纳部156中，其中，公差补偿元件158具有比槽的深度更大的直径，从而使得公差补偿元件158向外伸出超过圆周边缘128的底部134。圆周边缘的底部带有间隙或小的距离布置在测量管上方，而公差补偿元件158直接放置在测量管112上并构成无间隙的连接。由此，超声波传感器组件116即使在带有由制造引起的尺寸公差的测量管中也基本上可以不受压力或不受力地保持在测量管112的开口118中。

在壳体124和测量管112之间，在开口118中设置有密封环166，其布置在壳体的外侧突出部160之下。密封环166负责使测量管112和超声波传感器组件116之间存在密封连接。

壳体124的底部与测量管112和内管114的几何形状相匹配，使得超声波传感器组件116在测量管112的内部中与内管114的内壁面齐平的对齐。

在所示的实施方式中，超声波传感器组件116无间隙地并且基本上不受压力或不受力地安装在测量管112中。为了防止测量管中的受压流体将超声波传感器组件116向外推，支撑元件22可如图1至图5中所描述地布置在测量管112的外部。

Claims

1.一种用于确定流经管区段的流体的流量的测量装置，包括：

具有管壁(14)的测量管(12；112)，

至少一个超声波传感器(18、20；116)，用于发送声学信号和/或接收声学信号，所述超声波传感器具有超声波传感器顶部(21)，以及

支撑元件(22)，

其中，在管壁(24)中设置有至少一个第一类型的开口(28；116)，在所述开口中能插入至少一个所述超声波传感器(18、20；116)，并且其中，所述测量装置(10；110)具有装配状态，在所述装配状态下所述支撑元件(22)环形地包围所述测量管(12；112)，并且定位在插入到所述第一类型的开口(28；116)中的至少一个所述超声波传感器(18、20；116)的外部。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述支撑元件(22)不受压力地定位在所述超声波传感器顶部上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量管(12；112)是无螺纹的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，在装配状态下，所述支撑元件(22)在横截面中形成闭合线，其具有多边形的走向，特别是六边形的走向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，在装配状态下，所述支撑元件(22)在横截面中具有对称的形状。

6.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量管具有支承面，并且所述支撑元件(22)的横截面形状与由所述测量管(12)上的支承面形成的轮廓互补。

7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述支撑元件(22)包括至少两个固定支架(24)，其中，所述至少两个固定支架(24)可以相互连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述支撑元件具有固定支架，所述固定支架具有至少两个固定部，其中所述固定部以预先给定的角度相互连接。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，至少一个固定部被构造为板状的。

10.根据权利要求8或9所述的测量装置，其特征在于，至少一个所述固定部具有固定法兰。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述支撑元件(22)具有固定支架(24)，在所述固定支架中以一个基部(42)以及两个腿部的形式设置有三个固定部，其中所述腿部(44)布置在基部(42)的相对置的端部上，并以预先给定的角度背离基部(42)，其中，在每个腿部(44)的自由端部上设置有固定法兰(46)。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的测量装置，其特征在于，在至少一个所述固定部中设置有贯穿部(48)。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量管具有支承面并且每个固定部在所述测量管(12)上都配置有一支承面。

14.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量管(12；112)的管壁(14)具有外侧，所述外侧在横截面中具有有角的轮廓并且具有在轴向方向上延伸的表面部段。

15.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量管(12；112)包括至少一个第一类型的表面部段(36)，所述表面部段中设置有至少一个用于容纳至少一个所述超声波传感器(18、20；116)的所述第一类型的开口(28；116)，以及所述测量管(12；112)包括至少一个第二类型的表面部段(38)，其上逐段地定位有所述支撑元件(22)。

16.根据权利要求15所述的测量装置，其特征在于，在所述管壁(14)上设置有具有顶部(33)和具有至少一个用于容纳所述测量传感器(32)的第二类型的开口(30)的测量传感器(32)，其中，所述测量管(12；112)具有至少一个第三类型的表面部段(40)，所述测量传感器(32)布置在所述表面部段上。

17.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，设置有多个超声波传感器(18、20；116)，其中，任意两个所述超声波传感器(18、20；116)形成发射器-接收器对(16)并且布置在所述测量管(12；112)的轴向方向上，并且其中，设置有至少两个所述发射器-接收器对(16)，其沿着所述测量管(12；112)的圆周布置。