CN114636755A - 流体测量装置 - Google Patents

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Abstract

用于确定流体的至少一种特征性质的流体测量装置，其包括：测量管，该测量管具有流体可流过的流体导管并且该测量管具有测量部段，测量管在内部是柱形的，并且测量管壁的至少一个区域构造为用于表面声波的波导，该波导形成相对流体的界面；和用于在波导中激发声波的发射器和用于从波导接收声波的接收器，发射器和接收器布置成与波导的外表面直接接触，由发射器激发的声波适于至少部分作为体积波传播通过流体。波导具有至少一个细长的波导路径，其相对波导的中心线至少部分地与测量管的纵向延伸方向成锐角延伸，并且此外波导路径还具有在周向上的分量，其中与在测量管的邻接波导路径的区域中相比，在波导路径的区域中，测量管壁具有较小的壁厚。

Description

流体测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体的至少一个特征性质的流体测量装置。
本发明具体地涉及一种用于确定流经其中的液体的一个或更多个特征性质的流体测量装置。流体的性质包括例如浓度、密度、粘度、声速、流速、流量、温度和/或其均匀性。
背景技术
文献DE102019110514A1公开了一种通用流体测量装置，其用于使用声波来测量在流体导管中流动的流体的某些性质。为此，在由流体导管的壁的一部分形成的波导中激发表面声波(SAW)，其类型和频率如下地选择，使得发生进入与该波导直接接触的流体中的部分解耦。波导中的表面声波的一部分因此作为纵向体积声波耦合到流体中并从中穿过。
在声波通过流体的途中，声波在流体导管的相对壁处反射至少一次，因而它们再次撞击波导，在该波导中，这些体积波的一部分再次作为表面声波耦合到该波导中并继续在其中行进。因此，在接收器处产生了特征信号，该特征信号的时间强度过程(包括相对于由发射器发射的信号的时间延迟)允许得出关于流体的特征性质的结论，所述接收器布置在波导上且距发射器一定距离。
在从现有技术中已知的这种流体测量装置中，发射器和接收器布置在测量管的外侧上，从而位于平行于测量管的纵向轴线延行的直线上。主要以这种方式来测量流经测量管的中心的流体。然而特别是在从湍流到层流的过渡处和从层流到湍流的过渡处或者在非对称流动轮廓的情况下，中心处的测量导致显著的测量误差。由于湍流或不稳定的流动剖面经常直接出现在分支或类似部位后面，因此必须选择大的流入路径来进行最精确的测量，使得测量区域中的流动再次主要呈现为稳定的流动剖面。
发明内容
因此，本发明的目的是：提供一种避免了上述困难的流体测量装置。
为此，本发明提供了一种用于确定流体的至少一种特征性质的流体测量装置，其包括：测量管，该测量管具有流体可以流过的流体导管，并且该测量管具有测量部段，在该测量部段中，测量管在内部是柱形的并且测量管壁的至少一个区域被构造为用于表面声波的波导，该波导形成相对于流体的界面；以及用于在波导中激发声波的至少一个发射器和用于从波导接收声波的至少一个接收器，所述发射器和接收器被布置成与波导的外表面直接接触，其中，由发射器激发的声波适于至少部分地作为体积波来传播通过流体。波导具有至少一个细长的波导路径，所述细长的波导路径相对于其中心线至少部分地与测量管的纵向延伸方向成锐角地延伸，并且此外该细长的波导路径还具有在周向上的分量，其中，与在测量管的邻接该波导路径的区域中相比，在所述波导路径的区域中，测量管壁具有较小的壁厚。
优选地，至少在测量区域中，测量管自身被构造成柱形的。
因此在根据本发明的流体测量装置中，波导路径至少部分地围绕测量管倾斜延伸，其中角度不必在路径长度上恒定。这种流体测量装置还允许获得高测量精度，即使对于小流入路径也是如此。由于较小的壁厚，表面波被引导通过波导路径，该较小的壁厚特别适于使表面波特别良好地沿着波导路径传播并且可以同样良好地耦合到流体中。
优选地，波导路径基本上沿着围绕流体导管的螺旋线延伸和/或具有S形。在波导路径的如下构造中，即，表面波在任意点处从该波导路径耦合到测量管中的流体中，在波导路径的这种构造中，也为测量管中的体积波获得了基本螺旋的波形或S形弯曲的螺旋波形，其围绕测量管的中心延行并尽可能远地避开测量管的中心。因为流动流体的(远离中心的)更多部分由于基本螺旋的波形而被检测和测量，所以这导致更高的测量精度。
在优选构造中，波导路径的区域中的较小的壁厚(d1)通过测量管的外侧部中的凹槽来产生。因此可以特别容易地实现壁厚的减小。
该凹槽优选通过机械加工、特别是通过铣削来产生，其结果是实现了流体测量装置的简单且成本有效的制造。
优选地，凹槽具有基本上U形的横截面。由此获得了由基本竖直的壁组成的框架，该框架界定了波导路径并且用于表面波的定向引导并在波导路径的边界区中用作表面波的抑制元件。
在进一步开发方案中，在凹槽的俯视图中，该凹槽具有圆形的纵向端部。可选地，端部也可以被构造成有角或尖的。在任何情况下，到达端部的表面波都会被抑制或反射掉。
为了实现表面波到流体中的特别良好的传输，测量管壁优选沿着波导路径具有基本恒定的壁厚。
在本发明的特别优选的实施例中，提供了两条波导路径。特别地，它们都至少部分地围绕测量管倾斜延伸。当然也可以设想两个以上的波导路径。包括沿着测量管平行于该测量管的纵向轴线延伸或在周向上延伸的路径的组合也是可能的。
如果两个波导路径沿着测量管的周向错开布置并且特别是具有相同的形状并且优选位于测量管的同一轴向高度，则实现了特别有利的构造。体积波在两个波导路径之间的流体中传播。
优选地，两个波导路径在它们的长度上沿周向具有相对彼此相同的距离。因此，两个波导路径具有相同的缠绕，其结果是实现了体积波在流体中的基本螺旋形状的传播。
在优选实施例中，两个波导路径被布置成沿着周向错开小于180°、优选大约120°。这导致为体积波省略了流体导管的中心区域，省略区域的直径大约对应于柱形流体导管的直径的一半。
因此，在流体导管的中心不进行测量，因为模拟和测量已经表明，在从层流到湍流的过渡部时，测量误差尤其出现在流体导管的中心。在根据现有技术的流体测量装置中，这些测量误差通过大的流入路径来补偿，这些大的流入路径在根据本发明的构造中由于较高的测量精度而是不必要的。因此，根据本发明的流体测量装置可以直接布置在T形管部段或者成角度的、弯折的或弯曲的管的后方。
优选地，两个波导路径中的每一个波导路径配置有一个发射器和一个接收器。通过总共四个换能器单元，实现了对流经流体导管的流体的性质的特别精确的测量。
从测量管的纵向延伸方向看，每个波导路径优选具有第一端部和第二端部，其中，发射器设置在至少一个第一端部处，而接收器设置在至少一个第二端部处。在两个路径和两个发射器-接收器对的情况下，具体地，两个发射器布置在第一端部处，而两个接收器布置在第二端部处。如果只存在一个发射器-接收器对，则发射器布置在波导路径的第一端部处，而接收器可以设置在同一波导路径的或另一波导路径的第二端部处。
在本发明的进一步开发方案中，至少一个波导路径的至少是布置有发射器或接收器的端部是平坦的并形成用于发射器或接收器的平坦接触表面。其余的波导路径(如柱形测量管的外表面)可以凸出。换能器单元优选结合到接触表面上。
附图说明
从下面参照附图对多个优选实施例的描述中，进一步的特征和优点将变得清楚明显，其中:
图1以两种变型示出了根据本发明的流体测量装置的第一实施例的部分透明截面图；
图2示出了图1的流体测量装置沿着图1中的线A-A的局部剖视图；
图3示出了图1的流体测量装置沿着图1中的线B-B的局部剖视图；
图4示出了图1的流体测量装置的变型的部分透明侧视图；
图5示出了图4的流体测量装置沿着图4中的线C-C的横截面；
图6示出了图4的流体测量装置沿着图4中的线D-D的横截面；
图7示出了图4的流体测量装置沿着图4中的线E-E的横截面；
图8示出了图4的流体测量装置的前侧的俯视图；
图9示出了图4的流体测量装置的部分透明透视图；
图10示出了根据本发明的流体测量装置的第二实施例的部分透明透视图；
图11示出了根据本发明的流体测量装置的第三实施例的部分透明透视图；
图12示出了根据本发明的流体测量装置的第四实施例的部分透明透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的流体测量装置10。后者包括测量管12，该测量管具有流体入口14、流体出口16和流体导管18，该流体导管在流体入口和流体出口之间延伸，流体F可以流过该流体导管。测量管12的中间部段用作测量部段20，在该测量部段中，测量管壁22的区域被构造成用于表面声波的波导，该波导形成相对于流体F的界面。测量管12在测量部段20中具有柱形的、特别是圆柱形的横截面。此外，测量管12的内侧被构造为柱形。
波导包括两条细长的波导路径24a、24b，相应地，它们相对于其相应的中心线La或Lb(沿该路径的纵向方向延行)至少部分地在与测量管12的纵向延伸方向LM成锐角θ地延伸并且在周向U上具有分量。波导路径24a、24b还沿着测量管壁22倾斜延伸。测量管12的纵向延伸方向LM应理解为在测量管壁22中平行于测量管12的中心轴线延行的直线。
沿着波导路径24a、24b的角度θ可以是恒定的，这导致用于相应路径的路线的精准螺旋线，但是它不是必须的。
例如在本构造中，波导路径24a、24b稍微偏离精准螺旋线并且被配置为稍微呈S形，其中相应的波导路径24a或24b从路径的第一端部26a或26b延伸到路径的中心28a或28b，从而稍微向左或向右弯曲。在中心28a或28b处，到相应的波导路径24a或24b的第二端部30a或30b的曲率的方向发生改变。在测量管12的俯视图中，两个波导路径24a、24b可以具有相对于其中心线La或Lb相反或一样的曲率。
在示出的构造中，两个波导路径24a、24b基本是右旋的，即它们各自围绕测量管12以顺时针方向缠绕。在图1和4的侧视图中，第一波导路径24a沿着测量管12的外侧部从顶部向底部倾斜延伸，而在该侧视图中，第二波导路径24b沿着测量管壁2的布置在图中后部的一部分从底部向顶部倾斜延伸。
两个波导路径24a、24b沿着测量管12的周向U错开布置，这两个波导路径位于测量管12的相同轴向高度并且具有相同的形状。此外，两个波导路径24a、24b都具有相同的缠绕，即，在其长度上沿周向相对彼此具有相同的距离。
如具体可以在图2和3的剖视图中看到的，与测量管12的邻接波导路径24a、24b的区域相比，在波导路径24a、24b的区域中，测量管壁22具有较小的壁厚d1，壁厚d1沿着整个波导路径24a或24b是恒定的并且对于两个波导路径24a、24b都是一样的。邻接区域的较大壁厚(其也对应于其余的测量管12的厚度)在图中以d2来表示。
沿着波导路径24a、24b的减小的壁厚d1通过以下方式获得，即，在此在测量管12的外侧部中、更具体地是在测量管壁22中产生相应的凹槽32a或32b。凹槽32a、32b通过机械加工、例如通过铣削来制造，并且这些凹槽具有基本U形的横截面。这样获得了由实际上竖直的壁制成的边缘或一种框架34a或34b，其界定了相应的波导路径24a或24b(具体参见图2和6)。
此外，凹槽32a、32b(如在相应的凹槽32a、32b的俯视图中所见)具有倒圆的纵向端部36a或36b。替代地，它们也可以被构造成有角或尖的。
用于在波导中、特别是在第一波导路径24a中激发声波的发射器38布置在第一波导路径24a的第一端部26a处。此外，接收器40布置在第二波导路径24b的第二端部30b处，其用于从波导接收声波、特别是从第二波导路径24接收声波。发射器38和接收器40都布置成与波导或相应的波导路径24a、24b的外表面直接接触。
如图1中的虚线所示，在本发明的第二变型中还可以提供额外的发射器-接收器对38’、40’，那么第二发射器38’被布置在第二波导路径24b的第一端部26b处，而第二接收器40’被布置在第一波导路径24a的第二端部30a处。在具有总共四个换能器单元的这种配置(这在测试中被证明是特别有利的)中，发射器38或38’和接收器40’或40因此被分配给每个波导路径24a、24b。
波导路径24a、24b的布置有发射器38、38’或接收器40’的端部26a、26b和30a、30b是平坦的并形成用于发射器38、38’或接收器40、40’的平坦接触表面。换能器单元优选结合到接触表面上。其余的波导路径24a、24b和测量管12是弯曲的(同样具体参见图3和6)。
在测量管12上还设置有第一对凸缘42和第二对凸缘44，所述第一对凸缘用于附接传感器外壳以及图中未示出的评估电子器件，所述第二对凸缘用于将流体测量装置10集成到管网中(特别参见图1)。
从图4、图5至图7的相关剖视图以及图8和图9(都示出了流体测量装置10的仅具有一个发射器-接收器对38、40的第一变型)中可以明显看出，两个波导路径24a、24b被布置成沿着测量管12的周向U错开大约120°。
现在为了测量流体导管18内的流体F的某些性质，发射器38在该发射器38正下方的波导路径24a的区域中激发表面声波OW。这些表面波OW沿着测量管壁22中的波导路径24a基本上沿着中心线La在纵向方向上行进。由于围绕波导路径24a的框架34a，信号被有目的地从发射器38引导到第二端部30a，而所有其它传播方向上的表面波OW被抑制(见图9)。波导路径24a的区域中的较小的壁厚d1因此允许表面波OW沿着测量管壁22中的引导路径的良好耦合和传播。然而在具有较大壁厚d2的区域中，表面波OW被抑制并且不能传播或仅能够轻微传播。
由于流体F与波导或波导路径24a的直接界面，表面声波OW的能量的一部分作为通过流体F的体积波V在相对于流体F的界面处、在测量管12的内表面上在波导路径24a的任何点处耦合到流体F中，并且从那里以特定的传播角α(相对于波导的表面的法线)传播。在相对的测量管壁22处，该体积波V在其每个点处都耦合到波导路径24b中，并且继续在那里作为表面波OW行进至检测对应信号的接收器40。
这同样适用于第二发射器-接收器对38’、40’的信号(如果存在的话)。
由于凹槽32a、32b的端部36a、36b的几何设计，到达那里的表面波OW被抑制和/或反射离开接收器40或40’。
如果流体F未在测量管12中移动，则体积波V进入流体F的入射角α由流体F中的声速cf与测量管壁22(或波导路径24a或24b)中的表面波OW的声速cw之比得出“α＝arcsin(cf/cw)”。
因此，角α由“材料配对”得出，其中测量管壁22(或波导路径24a、24b)中的声速cw必须高于流体F中的声速cf，以便获得不同于零的值，表面波OW以低于测量管壁中的声速耦合到流体F中并且在其中作为体积波V沿着波导覆盖一定空间距离。表面波尤其包括兰姆(LAMB)波、瑞利(Rayleigh)波或漏瑞利(Leaky Rayleigh)波，它们都在表面波中有所使用。
优选地，波导路径24a、24b的区域中的测量管壁22的较小的壁厚d1小于或等于表面声波OW的波长，并且特别是等于表面声波的波长的大约50％。在这个最佳壁厚中，表面波可以特别好地传播。
与此相反，围壁区域的较大的壁厚d2比波导路径24a、24b的壁厚d1大20％至95％、尤其是大50％。这可以阻止表面波耦合到围绕波导路径24a、24b的壁区域中。
如在所示的构造中，波导路径24a、24b被布置成沿着测量管12的周向U错开大约120°，对于在流体F中产生且在图5至图8中示出的体积波V，实现了从流体导管18的中心区域46的避开，因而在流体导管18的该中心区域46中不进行流体F的测量。该测量所省略的中心区域46的直径大约是流体导管18的总直径D的一半。与之相反，位于中心区域46周围的区域被完全检测。测量和模拟表明，用这种方法可以获得最好的测量结果。
图5、6和7的叠加产生了图8，其中可以看到流体F中的体积波V的螺旋波形(除了轻微的S形弯曲)和从中心区域46的避开。
图10示出了根据本发明的流体测量装置10的第二实施例，相同的部件带有相同的附图标记，并且下面仅讨论与到目前为止描述的实施例的不同之处。
根据图10的流体测量装置10，其中仅示出了没有任何凸缘的测量管12，所述流体测量装置仅具有一个单个波导路径24a，其带有两个换能器单元39，所述换能器单元布置在波导路径24a的两个端部26a和30a处。在这种配置中，耦合到流体F中的体积波V例如在测量管壁22的与波导路径24a相对的区域中被反射。如从波导路径24a的两个端部26a、30a向中心28a延伸的表面波OW所示，两个换能器单元39可以交替地作为发射器和接收器来操作。然而，也可以提供(固定的)发射器38和(固定的)接收器40。
除了图中所示的那些之外，其它变型当然也是可能的。尽管包括两个发射器-接收器对38、40或38’、40’的构造是优选的，但是提供一个发射器38和一个接收器40也是足够的，发射器38布置在一个波导路径的第一端部处，而接收器40布置在另一波导路径的第二端部处。然而也可以在一个波导路径的各相应端部处具有两个换能器单元，而在另一波导路径上没有换能器单元。
此外，在多个波导路径24a、24b的情况下，换能器单元作为发射器和接收器的交替操作也是可设想的。
当然也可以在测量管12上布置多于两个的波导路径。沿着测量管12或沿其周向U延行的波导路径的组合也是可能的。
图11和12示出了两个对应的实施例，相同的部件再次带有相同的附图标记，并且仅讨论了与到目前为止描述的实施例的不同之处。
根据图11的流体测量装置10具有与根据图4至9的流体测量装置10相似的设计，除了相对于测量管12的纵向延伸方向LM倾斜延伸的两个波导路径24a，24b之外，还提供了沿测量管12延伸(即平行于纵向延伸方向LM)的另一波导路径48。
与在测量管12的邻接波导路径48的区域中相比，在波导路径48的区域中，测量管壁22也具有较小的壁厚。波导路径48的区域中的较小的壁厚也通过测量管12的外侧部中的凹槽50产生，该凹槽特别是通过铣削来制造。
发射器38”和接收器40”设置在波导路径48上，换能器单元作为发射器和接收器的交替操作在这里也是可设想的。
然而，根据图12的流体测量装置10仅具有一个波导路径24a，该波导路径相对于测量管12的纵向延伸方向LM倾斜地延行并且在两个波导路径48a、48b之间延伸，所述两个波导路径各自沿着测量管12延伸并且布置成在周向U上彼此错开大约180°。
波导路径24a直接连接到波导路径48a和48b，使得由发射器38产生的波可以沿着波导路径24a传播到接收器40，并且沿着波导路径48a传播到布置有第二接收器40”的另一端部。此外，接收器40还可以从设置在波导路径48b上的另一个发射器38”接收表面声波。
波导路径48a、48b在此也具有较小的壁厚，该较小的壁厚也由铣削到测量管12的外侧部中的凹槽50a、50b产生。
在根据本发明的流体测量装置10中，原则上，单个发射器-接收器对足以实现流体F中的体积波V的基本螺旋的波形。表面波OW由(多个)波导路径导向或引导并且由于沿着(多个)波导路径的小的、恒定的壁厚d1而特别良好地传输到流体F中。与已知的现有技术结构相反，在测量期间，流体F从中流过的测量管12的中心被省略，其结果是避免了显著的测量误差，特别是在从湍流到层流(或反过来)的过渡处或者在非对称流动轮廓的情况下。由于湍流或不稳定的流动轮廓经常直接出现在分支或类似部位的正后方，所以可以为根据本发明的流体测量装置10选择比现有技术中更短的流入路径，同时仍然实现高测量精流动轮廓度。

Claims (17)

1.一种用于确定流体的至少一个特征性质的流体测量装置，其包括：
测量管(12)，所述测量管具有流体导管(18)，流体(F)能够流过所述流体导管，并且所述测量管具有测量部段(20)，在所述测量部段中，所述测量管(12)在内部是柱形的，并且测量管壁(22)的至少一个区域被构造为用于表面声波的波导，所述波导形成相对于所述流体(F)的界面，以及
用于在所述波导中激发声波的至少一个发射器(38，38’)和用于从所述波导接收声波的至少一个接收器(40，40’)，所述发射器和接收器被布置成与所述波导的外表面直接接触，
其中，由所述发射器(38，38’)激发的声波适于至少部分地作为体积波(V)传播通过所述流体(F)，
其特征在于，所述波导具有至少一个细长的波导路径(24a，24b)，所述波导路径相对于所述波导的中心线(La，Lb)至少部分地与所述测量管(12)的纵向延伸方向(LM)成锐角(θ)延伸，并且此外所述波导路径还具有在周向方向(U)上的分量，其中，与在所述测量管(12)的邻接所述波导路径(24a，24b)的区域中相比，在所述波导路径(24a，24b)的区域中，所述测量管壁(22)具有较小的壁厚(d1)。
2.根据权利要求1所述的流体测量装置，其特征在于，所述波导路径(24a，24b)基本上沿着围绕所述流体导管(18)的螺旋线延伸和/或具有S形。
3.根据权利要求1或2所述的流体测量装置，其特征在于，所述波导路径(24a，24b)的区域中的较小的壁厚(d1)通过所述测量管(12)的外侧部中的凹槽(32a，32b)产生。
4.根据权利要求3所述的流体测量装置，其特征在于，所述凹槽(32a，32b)通过机械加工产生。
5.根据权利要求3或4所述的流体测量装置，其特征在于，所述凹槽(32a，32b)具有基本上U形的横截面。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，在所述凹槽(32a，32b)的俯视图中，所述凹槽(32a，32b)具有倒圆的纵向端部(36a，36b)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，所述测量管壁(22)沿着所述波导路径(24a，24b)具有基本恒定的壁厚(d1)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，设置有两个波导路径(24a，24b)。
9.根据权利要求8所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径(24a，24b)沿着所述测量管(12)的周向(U)错开布置。
10.根据权利要求9所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径(24a，24b)具有相同的形状。
11.根据权利要求9或10所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径(24a，24b)布置在所述测量管(12)的相同轴向高度处。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径(24a，24b)在它们的长度上在周向上具有相同的距离。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径被布置成沿着所述周向(U)错开小于180°的角度。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，所述两个波导路径被布置成错开约120°。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，每个路径配置有发射器(38，38’)和接收器(40，40’)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的流体测量装置，其特征在于，从所述测量管(12)的纵向延伸方向(LM)上看，每个波导路径(24a，24b)都具有第一端部(26a，26b)和第二端部(30a，30b)、设置在至少一个第一端部(26a，26b)处的发射器(38，38’)以及设置在至少一个第二端部(30a，30b)处的接收器(40，40’)。
17.根据权利要求16所述的流体测量装置，其特征在于，至少一个波导路径(24a，24b)的至少布置有发射器(38，38’)或接收器(40，40’)的端部(26a，26b，30a，30b)是平坦的并且形成用于所述发射器(38，38’)或接收器(40，40’)的平坦接触表面。
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