CN114199330A - 超声转换器、超声流量测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

超声转换器、超声流量测量设备和方法。本发明涉及用于超声流量测量设备的超声转换器，具有转换器壳体和转换器元件，转换器壳体具有超声窗口，转换器元件布置在转换器壳体中并构成用于将超声信号发送到信号路径上并从信号路径接收超声信号；用于操控转换器元件和评估超声信号的控制和评估单元。在转换器壳体中或上缓冲元件布置在信号路径中，构成至少一个至少部分反射的边界层，在超声转换器的运行状态中转换器元件发出超声信号，其在边界层处至少部分地被反射，被反射的信号分量由转换器元件接收，并且控制和评估单元在超声转换器的运行状态中监控被反射的信号分量的接收并且在未发生被反射的信号分量的接收的情况下识别出超声转换器的故障状态。

Description

超声转换器、超声流量测量设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于超声流量测量设备的超声转换器，所述超声转换器具有转换器壳体并且具有转换器元件，其中转换器壳体具有超声窗口并且其中转换器元件布置在转换器壳体中并且构成用于将超声信号发送到信号路径上并且用于从信号路径接收超声信号，并且所述超声转换器具有用于操控转换器元件和评估超声信号的控制和评估单元。此外，本发明涉及一种超声流量测量设备、一种用于超声转换器的功能监控的方法和一种用于运行超声流量测量设备的方法。

背景技术

超声流量测量设备大量地从现有技术中已知并且被用于确定流动的介质通过测量管的流量。为此，超声流量测量设备通常具有至少两个超声转换器，所述超声转换器构成为超声发射器和/或超声接收器，并且在流动方向上看彼此间隔开地布置（相对于测量管轴线轴向地）。为了确定流量，超声信号沿着超声转换器之间的信号路径在介质的流动方向上被发出一次并且与介质的流动方向相反地被发出一次，以及确定该超声信号或所述超声信号的传播时间，所述传播时间由于介质的夹带效应（Mittführeffekt）而彼此不同。介质的流动速度可以根据传播时间差来确定，并且根据流动速度和测量管横截面得出介质的体积流量。

超声信号由位于超声转换器的转换器壳体中的转换器元件产生和接收。在实践中，转换器元件大多通过机电转换器元件实现，所述转换器元件的作用原理基于压电效应。超声信号然后经由转换器壳体的超声窗口发出到测量管中或经由转换器壳体的超声窗口接收。

超声可以在液体中良好地传输，液体证实对超声的小的衰减。而在空气中，超声信号被大大衰减。如果没有介质位于测量管中，则超声从一个超声转换器到另一超声转换器的传输被极大地衰减，使得不能或几乎不能接收到超声信号。然而，在实践中空测量管的情况不能容易地与有缺陷的转换器元件的情况区分开。在这两种情况下，进行接收的超声转换器没有接收到超声信号或仅仅接收到非常小的超声信号。

从现有技术中已知的超声转换器和超声流量测量设备的缺点是，不能容易地区分存在超声转换器的空管情况还是故障状态。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是提供具有提高的故障识别能力的超声流量测量设备和超声转换器。此外，本发明所基于的任务是提供相对应的用于功能监控和用于运行超声转换器和超声流量测量设备的方法。

该任务在根据本发明的超声转换器的情况下首先并且基本上通过以下方式来解决：在转换器壳体中或在转换器壳体上缓冲元件布置在信号路径中并且缓冲元件在信号路径中构成至少一个至少部分地反射的边界层。在超声转换器的运行状态中，转换器元件发出超声信号，其中该超声信号在缓冲元件的边界层处至少部分地被反射。被反射的信号分量然后又被转换器元件接收。被透射的信号分量经由超声窗口发出。

如果说缓冲元件布置在转换器壳体中，则以此意指：缓冲元件布置在转换器壳体的内部中。如果说缓冲元件布置在转换器壳体上，则以此意指：缓冲元件至少间接地、优选地直接地与转换器壳体连接。并不意指：缓冲元件与转换器壳体间隔开地并且与转换器壳体不连接地布置在转换器壳体之外。

根据本发明进一步规定：控制和评估单元被设计，使得该控制和评估单元在超声转换器的运行状态中监控被反射的信号分量的接收。在未发生被反射的信号分量的情况下，控制和评估单元识别出超声转换器的故障状态。

通过超声转换器的根据本发明的设计方案可以以简单的方式和方法检测：转换器元件是否已经产生并发出超声信号。如果情况不是如此，则没有信号分量在缓冲元件的边界层处被反射并且因此也没有再次由转换器元件接收。由控制和评估单元识别出被反射的信号分量的接收的未发生。这样用户可以以简单的方式和方法追踪：是否存在超声转换器的故障状态。在一个优选的设计方案中，控制和评估单元此外被设计，使得该控制和评估单元通过故障信号来用信号通知所识别出的故障状态。用信号通知（Signalisieren）可以以不同的方式和方法进行，例如通过输出光学或声学报警信号。但是，例如也可以生成和输出故障代码。本发明不限于用信号通知故障状态的所提到的方式。

在根据本发明的超声转换器的一个替代的设计方案中，缓冲元件同样布置在信号路径中并且在信号路径中构成至少一个至少部分地反射的边界层（10）。与先前所描述的设计方案不同，第二转换器元件布置在转换器壳体中。在超声转换器的运行状态中，转换器元件发出超声信号，该超声信号在缓冲元件的边界层处至少部分地被反射。第二转换器元件布置在转换器壳体中，使得被反射的信号分量被第二转换器元件接收。特别优选地，第二转换器元件仅被设计用于接收超声信号。在该替代的设计方案中，控制和评估单元被设计，使得该控制和评估单元在超声转换器的运行状态中监控被反射的信号分量的接收并且在未发生被反射的信号分量的接收的情况下识别出超声转换器的故障状态。

如果所发出的超声信号不垂直地射到部分反射的边界层上并且因此以对应于入射角的出射角被反射，则该替代的设计方案是特别有利的。这种情况尤其发生在夹持式超声流量测量设备的超声转换器中。夹持式超声流量测量设备从外部被夹持到测量管上，要测量的介质在该测量管中流动。这种流量测量设备大多具有两个超声转换器。超声转换器或超声转换器的转换器元件然后相对于测量管表面以倾斜的角度被定向，使得超声信号以倾斜的角度被发出到测量管中。这通过缓冲元件的几何形状来保证。为此，缓冲元件例如具有三角形的横截面。

缓冲元件在根据本发明的超声转换器的不同设计方案中以不同的方式来实现。

优选地，边界层构成在缓冲元件的背离转换器元件的一侧上。所发出的超声信号在其在缓冲元件的背离转换器元件的一侧上被部分反射之前然后优选地沿着信号路径穿过缓冲元件的整个长度。被反射的信号分量在其又被转换器元件接收之前重新沿着信号路径穿过缓冲元件。通过缓冲元件因此可以确保在超声信号的发送和被部分反射的信号分量的接收之间的时间间隔。

在根据本发明的超声转换器的一个特别优选的设计方案中，缓冲元件通过超声窗口形成。进一步优选地，在一个设计方案中，超声窗口具有增加的厚度，其中厚度被定义为超声窗口沿着超声信号的信号路径的延伸。

在一个变型方案中，通过超声窗口形成的缓冲元件伸入到转换器壳体中。在一个替代的设计方案中，通过超声窗口形成的缓冲元件从转换器壳体伸出。

原则上，超声窗口可以与转换器壳体一体地构成，其中“一体地”应理解为，转换器壳体和超声窗口由工件制成为一个部件并且并不彼此连接。替代地，超声窗口可以作为单独的、然而与转换器壳体直接连接的组件来实现。尤其，在超声窗口和转换器壳体之间的介质密封的连接是必要的，以便避免介质进入转换器壳体的内部中。例如，超声窗口可以与转换器壳体焊接。

在根据本发明的超声转换器的另一设计方案中，缓冲元件构成为单独的组件。该设计方案具有如下优点：在需要情况下可以更换缓冲元件。

特别优选地，缓冲元件在转换器壳体的内部中布置在转换器元件和超声窗口之间。进一步优选地，转换器元件与缓冲元件直接邻接地布置。

在根据本发明的超声转换器的另一特别优选的设计方案中，缓冲元件在超声信号的信号路径中构成第一边界层和至少一个第二边界层。超声信号在第一边界层处至少部分地被反射，其中被反射的信号分量被第一边界层反射到第二边界层上。特别优选地，被反射的信号分量垂直地射到第二边界层上。被反射的信号分量被第二边界层反射回到第一边界层上，并从那里被反射回到转换器元件，被反射的信号分量再次被该转换器元件接收。

如果该超声转换器被使用在夹持式超声流量测量设备中，则这种设计方案是特别有利的。

为了进一步提高在边界层处的超声信号的部分反射，在根据本发明的超声转换器的一个完全特别优选的变型方案中规定：将增强部分反射的覆层施加到通过缓冲元件形成的边界层上。这种设计方案尤其在如下情况下是有利的：应测量介质，该介质具有与转换器元件或与转换器元件的超声窗口类似的声学特性，使得在没有附加的覆层的情况下不出现或几乎不出现部分反射。

特别优选的根据本发明的超声转换器的特色在于，控制和评估单元被设计，使得该控制和评估单元在超声转换器的运行状态中确定描述被反射的信号分量的变量并且将该变量与针对所述变量的参考值比较。在一个优选的变型方案中，这种变量是被反射的信号分量的强度。参考值是该变量在超声转换器的良好状态中的值。在所确定的变量与参考值的偏差超出预先给定的容差范围的情况下，控制和评估单元输出故障信号。超声转换器的这种设计方案实现超声转换器的扩展的故障诊断。因此不仅可以通过监控被部分反射的信号分量来识别，超声转换器的转换器元件是否有效，更确切而言，也可以通过监控描述被反射的信号分量的变量来识别，转换器元件是否（例如由于其已松开并且滑动）已改变其在超声转换器中的位置，或是否存在其他缺陷，然而所述其他缺陷并未导致转换器元件的完全失效。所有这种事件都会对描述被反射的信号分量的变量有影响。

除了超声转换器之外，本发明此外涉及一种用于确定流动介质的流量的超声流量测量设备。该超声流量测量设备具有第一超声转换器和第二超声转换器，并且此外具有控制和评估单元。超声转换器被构成用于将超声信号发送到信号路径上和/或用于从信号路径接收超声信号并且经由超声信号的信号路径彼此处于有效关联。

如果说超声转换器经由信号路径彼此处于有效关联，则以此意指，超声转换器中的至少一个超声转换器接收由另一超声转换器经由信号路径发送的超声信号。

在所谈论的超声流量测量设备的情况下，该任务首先并且基本上通过以下方式来解决：至少一个构成用于发送的超声转换器具有缓冲元件，该缓冲元件在超声信号的信号路径中布置在转换器壳体中或上，并且缓冲元件在信号路径中构成至少一个至少部分反射的边界层。

在超声流量测量设备的运行状态中，进行发送的超声转换器的转换器元件发出超声信号，其中超声信号在缓冲元件的边界层处至少部分地被反射并且部分地被透射。

在根据本发明的超声流量测量设备的第一变型方案中，被反射的信号分量由进行发送的超声转换器的转换器元件接收。在根据本发明的超声流量测量设备的一个替代的变型方案中，在构成用于发送的超声转换器的转换器壳体中布置有第二转换器元件。这里，被反射的信号分量由进行发送的超声转换器的第二转换器元件接收。

在两个变型方案中，被透射的信号分量由进行接收的超声转换器的转换器元件接收。

根据本发明，在两个变型方案中此外规定：控制和评估单元被设计，使得该控制和评估单元在超声流量测量设备的运行状态中监控被反射的信号分量的接收和被透射的信号分量的接收并识别超声流量测量设备的如下运行状态之一：

l 在接收到被反射的信号分量并且接收到被透射的信号分量的情况下：超声流量测量设备有效，

l 在接收到被反射的信号分量并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备有效，测量管空，

l 在未发生被反射的信号分量的接收并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器的转换器元件处于故障状态中。

特别优选地，控制和评估单元进一步被构成，使得该控制和评估单元用信号通知超声流量测量设备的所识别出的运行状态。在此情况下，用信号通知例如可以通过各种光学或声学信号进行或从现有技术已知的另外的方式和方法进行。

在根据本发明的流量测量设备的特别优选的设计方案中，超声转换器配备有先前所描述的根据本发明的超声转换器的特征。相对应地，与根据本发明的超声转换器关联地进行的关于优选实施方式及其优点的所有论述同样类似地可转用于并且相对应地适用于根据本发明的超声流量测量设备。

在超声流量测量设备的一个特别优选的设计方案中，控制和评估单元被设计，使得如果被透射的信号分量位于预先给定的极限值之下，则该控制和评估单元将被透射的信号分量评价为“未接收到”。这里，极限值例如可以是强度值或幅度值。这种设计方案考虑到，尽管测量管是空的，但原则上同样进行超声信号的传播，但是超声信号被非常强烈地衰减。因此可设想的是，尽管测量管是空的，（虽然超声信号极小）但可以接收到被透射的信号分量。然而，如果被透射的信号分量位于（尤其通过用户）预先给定的极限值之下，则将测量管仍然识别为“空的”。

此外，本发明涉及一种用于超声转换器的功能监控的方法。超声转换器具有转换器壳体和转换器元件，其中转换器壳体具有超声窗口，并且其中转换器元件布置在转换器壳体中并且构成用于将超声信号发送到信号路径上并且用于从信号路径接收超声信号。同样，超声转换器具有用于操控转换器元件和用于评估超声信号的控制和评估单元。此外，设置有缓冲元件，该缓冲元件布置在超声信号的信号路径中并且在信号路径中构成相对于缓冲元件的周围环境的至少一个至少部分反射的边界层。在一种变型方案中，第二转换器元件布置在超声转换器的转换器壳体中。

根据本发明的方法的特色在于，首先在发送步骤中发出超声信号，其中超声信号在边界面处至少部分地被反射。超声信号由超声转换器的转换器元件发出。在紧接着的接收步骤中，被反射的信号分量由超声转换器的转换器元件或布置在转换器壳体中的第二转换器元件接收。在监控步骤中监控被反射的信号分量的接收。在未发生被反射的信号分量的接收的情况下，在用信号通知步骤中识别出未发生并用信号通知故障状态。

根据本发明的方法形成一种非常简单的测试超声转换器的有效性（Funktionsfähigkeit）的可能性，更准确地说，不需要单独的测试设备。如果接收到被反射的信号分量，则被反射的信号分量应该事先已被发出，转换器元件因此应该是有效的。如果未发生被反射的信号分量的接收，则用户应该假定：没有发出超声信号并且转换器元件处于故障状态中，例如是有缺陷的。

在根据本发明的方法的优选的实施方式中，在比较步骤中，将描述被反射的信号分量的变量、尤其被反射的信号分量的强度与参考值进行比较并且在偏差超出预先给定的容差值时输出故障信号。通过该补充的方法步骤，超声转换器的更全面的功能检查是可能的，因为不仅仅监控转换器元件是否发出超声信号，而是同样监控所发出的超声信号是否改变，例如由于转换器元件已改变其在转换器壳体中的位置。

根据本发明的方法尤其适合于先前所描述的根据本发明的超声转换器的功能监控。相对应地，所有关于超声转换器已进行的论述类似地可转用于该方法。

此外，本发明涉及一种用于运行超声流量测量设备的方法，其中该超声流量测量设备具有第一超声转换器、第二超声转换器以及控制和评估单元。超声转换器构成用于将超声信号发送到信号路径上和/或用于从信号路径接收超声信号，并且经由超声信号的信号路径彼此处于有效关联。至少一个构成用于发送的超声转换器具有缓冲元件，其中该缓冲元件布置在超声信号的信号路径中并且该缓冲元件在信号路径中构成至少一个至少部分反射的边界层。

根据本发明的方法的特色在于，在发送步骤中，进行发送的转换器元件发出超声信号，其中该超声信号在缓冲元件的边界层处至少部分地被反射并且部分地被透射。在接收步骤中，进行发送的超声转换器的转换器元件或布置在进行发送的超声转换器中的第二转换器元件接收被反射的信号分量，并且进行接收的超声转换器的转换器元件接收被透射的信号分量。在监控步骤中，控制和评估单元监控被反射的信号分量的接收和被透射的信号分量的接收。在紧接着的用信号通知步骤中，由控制和评估单元用信号通知超声流量测量设备的如下运行状态之一：

●在接收到被反射的信号分量并且接收到被透射的信号分量的情况下：超声流量测量设备有效，

●在接收到被反射的信号分量并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备有效，测量管空，

●在未发生被反射的信号分量的接收并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器的转换器元件处于故障状态中。

根据本发明的方法实现以简单的方式和方法在转换器元件或超声转换器的故障情况与空的测量管之间进行区分。根据本发明的方法的一种特别优选的实施方式的特色在于，如果被透射的信号分量位于预先给定的极限值之下，则被透射的信号分量被评价为“未接收到”。对于极限值，例如可以基于强度值或幅度值。即使所发送的超声信号没有完全被衰减，该方法的该实施方式也能够识别出空的测量管。

根据本发明的方法尤其适合于运行先前所描述的根据本发明的超声流量测量设备。相对应地，所有关于超声流量测量设备已进行的论述类似地可转用于该方法。

附图说明

详细而言，现在存在设计和改进根据本发明的超声转换器和超声流量测量设备的多种可能性。此外，存在执行根据本发明的方法的多种可能性。为此，参考从属于并列独立权利要求的权利要求以及结合附图对优选实施例的描述。在附图中

图1示出超声转换器的第一设计方案，

图2示出超声转换器的第二设计方案，

图3示出超声转换器的第三设计方案，

图4示出超声流量测量设备的第一变型方案，

图5示出超声流量测量设备的第二变型方案，

图6示出超声转换器的第四设计方案，

图7示出超声转换器的第五设计方案，

图8示出用于超声转换器的功能监控的方法，和

图9示出用于运行超声流量测量设备的方法。

具体实施方式

图1示出用于在图4中所示出的超声流量测量设备2的超声转换器1。超声转换器1具有转换器壳体3和转换器元件4。转换器壳体具有超声窗口5，由超声转换器1经由该超声窗口发送或接收超声波。转换器元件4布置在转换器壳体3中并且用于将超声信号6发送到信号路径7上或用于从信号路径7接收超声信号6。此外，超声转换器1具有控制和评估单元8，用于操控转换器元件4和评估超声信号6。在图1中所示出的超声转换器1的情况下，在转换器壳体3中缓冲元件9布置在信号路径7中。缓冲元件9在信号路径7中构成部分反射的边界层10，所述边界层位于缓冲元件9的背离转换器元件4的一侧上。在超声转换器1的运行状态中，转换元件4发出超声信号6，该超声信号在边界层10处至少部分地被反射，如在图1中所示出的。被反射的信号分量11用虚线来指示。同样示出了被透射的信号分量12，所述被透射的信号分量通过点划线来指示。转换器元件4再次接收被反射的信号分量11。所示出的超声转换器1具有如下特点：控制和评估单元8被设计，使得该控制和评估单元在超声转换器1的运行状态中监控被反射的信号分量11的接收。如果被反射的信号分量11被转换器元件4接收，则超声转换器1处于有效的（funktionsfähig）状态中。然而，如果未发生被反射的信号分量11的接收，也就是说，没有信号被转换器元件4接收到，则控制和评估单元8识别出超声转换器1的故障状态。所示出的控制和评估单元8此外被设计，使得该控制和评估单元此外用信号通知故障状态。此外，控制和评估单元8被设计，使得该控制和评估单元将被反射的信号分量11的强度与用于被反射的信号分量11的强度的参考值进行比较，所述参考值代表超声转换器1的良好状态。在偏差超出预先给定的容差范围的情况下，控制和评估单元识别出故障状态。例如，如果转换器元件4已松开并且其在转换器壳体3之内的位置已改变，则情况如此。

超声转换器1的在图1中所示出的实施方式具有设计为单独组件的缓冲元件9。缓冲元件9构成在转换器壳体3的内部中并且布置在转换器元件4和超声窗口5之间。反射边界层10在此情况下构成在缓冲元件9和超声窗口5之间。

与图1中所示出的实施方式不同，在图2和图3中示出了超声转换器1，在所述超声转换器中缓冲元件9通过超声窗口5形成。在图2中所示出的设计方案中，超声窗口5具有厚度d并伸入转换器壳体3中。在图3中所示出的设计方案中，超声窗口5伸入超声转换器1的外部空间中。

在图3中所示出的超声转换器1中，缓冲元件9在其背离转换器元件4的一侧具有覆层13，该覆层用于改善、例如增大边界层10的反射特性。

图4示出具有两个在图1中所示出的超声转换器1的超声流量测量设备2。此外，超声流量测量设备2具有控制和评估单元14。在所示出的实施例中，两个超声转换器2不仅设计用于发送超声信号6而且用于接收超声信号6。两个超声转换器1布置在测量管15的彼此相对的侧上，并且此外在通过箭头指示的流量方向上彼此偏移地布置。这两个超声转换器经由信号路径7彼此处于有效关联（Wirkzusammenhang）。在所示出的设计方案中，超声转换器1布置在测量管15的转换器袋16中。在超声流量测量设备2的运行状态中，进行发送的超声转换器1的转换器元件4发出超声信号6，其中超声信号6在进行发送的超声转换器1的缓冲元件9的边界层10处至少部分地被反射并且部分地被透射。然后由进行发送的超声转换器1的转换器元件4接收被反射的信号分量11，由进行接收的超声转换器1的转换器元件4接收被透射的信号分量12。

超声流量测量设备2的控制和评估单元14被设计，使得该控制和评估单元在超声流量测量设备2的运行状态中监控被反射的信号分量11的接收和被透射的信号分量12的接收。根据哪些信号分量由转换器元件4接收，控制和评估单元14识别并用信号通知超声流量测量设备2的如下运行状态之一：

●在接收到被反射的信号分量11并且接收到被透射的信号分量12的情况下：超声流量测量设备2有效，

●在接收到被反射的信号分量11并且未发生被透射的信号分量12的接收的情况下：超声流量测量设备有效，测量管15空，

●在未发生被反射的信号分量11的接收并且未发生被透射的信号分量12的接收的情况下：超声流量测量设备2处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器1的转换器元件4处于故障状态中。

在超声流量测量设备2的所示出的设计方案中，超声转换器1根据在图1中所示出的实施方式构成。然而，也可设想另外的设计方案之一或混合设计方案、即两个超声转换器1的不同设计方案。控制和评估单元14此外被设计，使得如果被透射的信号分量12位于预先给定的极限值之下，则所述控制和评估单元将被透射的信号分量12评价为“未接收到”。当前，被透射的信号分量12的强度值被用作极限值。

图5示出设计为夹持式超声流量测量设备的超声流量测量设备2。超声流量测量设备2从外部被夹持到测量管15上。这里未示出夹紧机构，因为该夹紧机构对于本发明而言是不相关的。超声流量测量设备2具有两个超声转换器1。两个超声转换器1分别具有转换器元件4和缓冲元件9。转换器元件4这里被定向，使得转换器元件以倾斜的角度发射到测量管表面上。这通过如下方式实现：该缓冲元件9或所述缓冲元件9具有基本上三角形的横截面。在当前图示中，超声信号6的信号路径仅仅示意性地示出，因为信号路径6的走向取决于缓冲元件9、测量管15的所使用的材料以及还有在测量管15中运输的介质。进行发送的超声转换器2的转换器元件4发出超声信号6，该超声信号6在边界层10处被反射，该边界层构成在缓冲元件9和测量管表面之间。这里，入射角对应于出射角，使得被反射的信号分量11以与其射到边界层10上的角度相同的角度被反射。被反射的信号分量11然后射到构成缓冲元件9的第二边界层10'上。从这里，被反射的信号分量11又被反射回到边界层10上，并且从那里又被反射回到接收被反射的信号分量的转换器元件4上。被透射的信号分量12被发出到测量管15中并且在测量管内侧处朝向第二超声转换器2的第二转换器元件4被反射。然后该转换器元件4接收被透射的信号分量12。

在图6中示出了在图5中所示出的超声流量测量设备2的超声转换器。超声转换器1具有壳体3，转换器元件4位于该壳体中。超声转换器1具有缓冲元件9，该缓冲元件在超声信号6的射束路径中构成第一边界层10和第二边界层10'。如已经结合图5所解释的那样，转换器元件4发出超声信号6，该超声信号在边界层10处部分地被反射。被反射的信号分量11的出射角对应于超声信号6的入射角。被反射的信号分量11被反射到第二边界层10'并垂直地射到第二边界层10'上。从这里，被反射的信号分量重新被反射回到边界层10，并从这里重新被反射回到转换器元件4。超声转换器1的控制和评估单元8被设计，使得该控制和评估单元监控被反射的信号分量11的接收并且在未发生时识别出超声转换器1的故障状态。

在图7中示出了超声转换器1的替代的设计方案。这里，超声转换器1具有第一转换器元件4，该第一转换器元件被构成用于并且被用于发送和接收超声信号。然而，超声转换器1还具有被用于接收被反射的信号分量11的第二转换器元件4'。与在图6中所示出的实施方式不同，这里因此被反射的信号分量11不被反射回到转换器元件4，而是由转换器元件4'接收。控制和评估单元8于是被设计，使得该控制和评估单元监控第二转换器元件4'对被反射的信号分量11的接收。在未发生被反射的信号分量11的情况下，控制和评估单元8识别出故障状态。

图8示出用于监控如在图1至图3和图6中所示出的超声转换器的功能监控的方法100。在发送步骤101中，发出超声信号，其中超声信号在界面处至少部分地被反射。在接收步骤102中，被反射的信号分量被转换器元件接收。在监控步骤103中，监控被反射的信号分量的接收，并且在用信号通知步骤104中，在未发生被反射的信号分量的接收的情况下，用信号通知故障状态。

图9示出用于运行如在图4中所示出的超声流量测量设备的方法200。在所示出的方法中，在发送步骤201中，由进行发送的转换器元件发出超声信号，其中该超声信号在缓冲元件的边界层处至少部分地被反射并且部分地被透射。在接收步骤202中，进行发送的超声转换器的转换器元件接收被反射的信号分量，并且进行接收的超声转换器的转换器元件接收被透射的信号分量。在监控步骤203中，控制和评估单元监控被反射的信号分量的接收和被透射的信号分量的接收。在用信号通知步骤204中，超声流量测量设备的如下运行状态之一由控制和评估单元用信号通知：

●在接收到被反射的信号分量并且接收到被透射的信号分量的情况下：超声流量测量设备有效，

●在接收到被反射的信号分量并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：测量管空，

●在未发生被反射的信号分量的接收并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器的转换器元件处于故障状态中。

在所示出的方法中，如果被透射的信号分量位于预先给定的极限值之下，则被透射的信号分量被评价为“未接收到”。这里，被透射的信号分量的强度值被预先给定为极限值。

附图标记

1 超声转换器

2 超声流量测量设备

3 转换器壳体

4 转换器元件

4' 第二转换器元件

5 超声窗口

6 超声信号

7 信号路径

8 控制和评估单元

9 缓冲元件

10 边界层

10' 第二边界层

11 被反射的信号分量

12 被透射的信号分量

13 覆层

14 控制和评估单元

15 测量管

16 转换器袋

100 方法

101 发送步骤

102 接收步骤

103 监控步骤

104 用信号通知步骤

200 方法

201 发送步骤

202 接收步骤

203 监控步骤

204 用信号通知步骤。

Claims (14)

1.一种用于超声流量测量设备（2）的超声转换器（1），具有转换器壳体（3）并且具有转换器元件（4），其中所述转换器壳体（3）具有超声窗口（5）并且其中所述转换器元件（4）布置在所述转换器壳体（3）中并且构成用于将超声信号（6）发送到信号路径（7）上并用于从所述信号路径（7）接收超声信号（6），以及具有用于操控所述转换器元件（3）和评估所述超声信号（6）的控制和评估单元（8），

其特征在于，

在所述信号路径（7）中缓冲元件（9）布置在所述转换器壳体（3）中或上，所述缓冲元件（9）在所述信号路径（7）中构成至少一个至少部分反射的边界层（10），

在所述超声转换器（1）的运行状态中，所述转换器元件（4）发出超声信号（6），其中所述超声信号（6）在所述缓冲元件（9）的所述边界层（10）处至少部分地被反射，其中所述被反射的信号分量（11）被所述转换器元件（4）接收，

并且所述控制和评估单元（8）被设计，使得所述控制和评估单元在所述超声转换器（1）的运行状态中监控所述被反射的信号分量（11）的接收，并且在未发生被反射的信号分量（11）的接收的情况下，识别出所述超声转换器（1）的故障状态。

2.一种用于超声流量测量设备（2）的超声转换器（1），具有转换器壳体（3）并且具有转换器元件（4），其中所述转换器壳体（3）具有超声窗口（5）并且其中所述转换器元件（4）布置在所述转换器壳体（3）中并且构成用于将超声信号（6）发送到信号路径（7）上并用于从所述信号路径（7）接收超声信号（6），以及具有用于操控所述转换器元件（3）和评估所述超声信号（6）的控制和评估单元（8），

其特征在于,

在所述信号路径（7）中缓冲元件（9）布置在所述转换器壳体（3）中或上，所述缓冲元件（9）在所述信号路径（7）中构成至少一个至少部分反射的边界层（10），

在所述转换器壳体（3）中布置有第二转换器元件（4'），

在所述超声转换器（1）的运行状态中，所述转换器元件（4）发出超声信号（6），其中所述超声信号（6）在所述缓冲元件（9）的所述边界层（10）处至少部分地被反射，其中所述第二转换器元件（4'）布置在所述转换器壳体中，使得被反射的信号分量（11）由所述第二转换器元件（4'）接收，

并且所述控制和评估单元（8）被设计，使得所述控制和评估单元在所述超声转换器（1）的运行状态中监控被反射的信号分量（11）的接收并且在未发生被反射的信号分量（11）的接收的情况下识别出所述超声转换器（1）的故障状态。

3.根据权利要求1或2所述的超声转换器（1），其特征在于，所述缓冲元件（9）通过所述超声窗口（5）形成。

4.根据权利要求1或2所述的超声转换器（1），其特征在于，所述缓冲元件（9）构成为单独的组件，尤其所述缓冲元件（9）布置在所述转换器元件（4）与所述超声窗口（5）之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，所述缓冲元件（9）在所述信号路径（7）中构成至少一个至少部分反射的第二边界层（10'），其中在所述超声转换器（1）的运行状态中，被反射的信号分量（11）在所述第一边界层（10）处被反射到所述第二边界层（10'）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，将增强部分反射的覆层（13）施加到通过所述缓冲元件（9）形成的边界层（10）上或者如果构成多个边界层（10，10'），施加到所述边界层（10，10'）中的至少一个边界层上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，所述控制和评估单元（8）被设计，使得所述控制和评估单元在所述超声转换器（1）的运行状态中将描述被反射的信号分量（11）的变量、尤其被反射的信号分量的强度与参考值进行比较，并在偏差超出预先给定的容差范围时输出故障信号。

8.用于确定流动介质的流量的超声流量测量设备（2），具有第一超声转换器（1）并且具有第二超声转换器（1）以及具有控制和评估单元（14），其中所述超声转换器（1）构成用于将超声信号（6）发送到信号路径（7）上和/或用于从所述信号路径（7）接收超声信号（6），并经由所述超声信号（6）的信号路径（7）相互处于有效关联，

其特征在于，

至少构成用于发送的超声转换器（1）具有缓冲元件（9），所述缓冲元件（9）在所述超声信号（6）的信号路径（7）中布置在所述转换器壳体（3）中或上，所述缓冲元件（9）在所述信号路径（7）中构成至少一个至少部分反射的边界层（10），

在所述超声流量测量设备（2）的运行状态中，进行发送的超声转换器（1）的转换器元件（4）发出超声信号（6），其中所述超声信号（6）在所述缓冲元件（9）的边界层（10）处至少部分地被反射并且部分地被透射，

被反射的信号分量（11）由所述进行发送的超声转换器（1）的转换器元件（4）接收，并且被透射的信号分量（12）由进行接收的超声转换器（1）的转换器元件（4）接收，

或

在构成用于发送的超声转换器（1）的转换器壳体中布置有第二转换器元件（4'），并且被反射的信号分量（11）由所述进行发送的超声转换器（1）的第二转换器元件（4'）接收，并且被透射的信号分量（12）由进行接收的超声转换器（1）的转换器元件（4）接收，

并且所述控制和评估单元（14）被设计，使得所述控制和评估单元在所述超声流量测量设备（2）的运行状态中监控被反射的信号分量（11）的接收和被透射的信号分量（12）的接收并且识别并用信号通知所述超声流量测量设备（2）的如下运行状态之一：

●在接收到被反射的信号分量（11）并且接收到被透射的信号分量（12）的情况下：超声流量测量设备（1）有效，

●在接收到被反射的信号分量（11）并且未发生被透射的信号分量（12）的接收的情况下：测量管（15）空，

● 在未发生被反射的信号分量（11）的接收并且未发生被透射的信号分量（12）的接收的情况下：超声流量测量设备（2）处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器（1）的转换器元件（4）处于故障状态中。

9.根据权利要求8所述的超声流量测量设备（2），其特征在于，至少一个超声转换器（1）根据权利要求3至7中任一项所述的特征构成。

10.根据权利要求8或9所述的超声流量测量设备（2），其特征在于，所述控制和评估单元（14）被设计，使得如果被透射的信号分量（12）位于预先给定的极限值之下，则所述控制和评估单元将被透射的信号分量（12）评价为“未接收到”。

11.用于超声转换器的功能监控的方法（100），其中所述超声转换器具有转换器壳体和转换器元件，其中所述转换器壳体具有超声窗口，并且其中所述转换器元件布置在所述转换器壳体中并且构成用于将超声信号发送到信号路径上和/或用于从信号路径接收超声信号，并且具有用于操控所述转换器元件和评估所述超声信号的控制和评估单元，其中缓冲元件设置在所述转换器壳体中或上，所述缓冲元件布置在所述超声信号的信号路径中，并且所述缓冲元件在所述信号路径中构成相对于所述缓冲元件的周围环境的至少一个至少部分反射的边界层，

其特征在于，

在发送步骤（101）中，由所述转换器元件发出超声信号，其中所述超声信号在界面处至少部分地被反射，

在接收步骤（102）中，被反射的信号分量由所述转换器元件或布置在所述转换器壳体中的第二转换器元件接收，

在监控步骤（103）中，监控被反射的信号分量的接收，以及

在用信号通知步骤（104）中，在未发生被反射的信号分量的接收的情况下，识别出并用信号通知故障状态。

12.根据权利要求11所述的方法（100），其特征在于，在比较步骤中，将描述被反射的信号分量的变量、尤其被反射的信号分量的强度与参考值进行比较，并且在偏差超出预先给定的容差值的情况下输出故障信号。

13.一种用于运行超声流量测量设备的方法（200），其中所述超声流量测量设备具有第一超声转换器、第二超声转换器和控制和评估单元，其中所述超声转换器构成用于将超声信号发送到信号路径上和/或用于从信号路径接收超声信号并且经由所述超声信号的信号路径彼此处于有效关联，其中至少构成用于发送的超声转换器具有缓冲元件，所述缓冲元件在所述超声信号的信号路径中布置在所述转换器壳体中或上，并且所述缓冲元件在所述信号路径中构成至少一个至少部分反射的边界层，

其特征在于，

在发送步骤（201）中，进行发送的转换器元件发出超声信号，其中所述超声信号在所述缓冲元件的边界层处至少部分地被反射并且部分地被透射，

在接收步骤（202）中，进行发送的超声转换器的转换器元件或布置在进行发送的超声转换器中的第二转换器元件接收被反射的信号分量，并且进行接收的超声转换器的转换器元件接收被透射的信号分量，

在监控步骤（203）中，所述控制和评估单元监控被反射的信号分量的接收和被透射的信号分量的接收，

在用信号通知步骤（204）中，由所述控制和评估单元用信号通知所述超声流量测量设备的如下运行状态之一：

●在接收到被反射的信号分量并且接收到被透射的信号分量的情况下：超声流量测量设备有效，

●在接收到被反射的信号分量并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：测量管空，

●在未发生被反射的信号分量的接收并且未发生被透射的信号分量的接收的情况下：超声流量测量设备处于故障状态中，尤其进行发送的超声转换器的转换器元件处于故障状态中。

14.根据权利要求13所述的方法（200），其特征在于，如果被透射的信号分量位于预先给定的极限值之下，则被透射的信号分量被评价为“未接收到”。

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