CN117693666A - 用于测量管中的液体的体积流量的超声测量单元和方法 - Google Patents

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CN117693666A CN202280047326.2A CN202280047326A CN117693666A CN 117693666 A CN117693666 A CN 117693666A CN 202280047326 A CN202280047326 A CN 202280047326A CN 117693666 A CN117693666 A CN 117693666A
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Abstract

一种用于测量在管中流动的流体的体积流量的超声测量单元，其包括：连续的中央凹部，以接收流体承载管；以及至少六个超声换能器。第一和第二超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，第三和第四超声换能器定位在所述中央凹部的第二相对侧上，被布置成发射倾斜于流动方向的测量信号。第一嵌体区域和第二嵌体区域在所述中央凹部的相应的第一侧和第二侧上定位于所述中央凹部与相应的换能器对之间。第五和第六超声换能器平行于所述中央凹部定位并且彼此相对。所述测量单元被配置成能够测量所述第一嵌体区域和/或所述第二嵌体区域内部的超声信号的传播时间。

Description

用于测量管中的液体的体积流量的超声测量单元和方法
发明内容
本发明提供了一种用于测量在管中流动的流体的体积流量的超声测量单元，所述超声测量单元包括：具有纵向延伸部的连续的中央凹部，使得所述中央凹部能够接收流体承载管；至少六个超声换能器；至少两个嵌体区域以及可选地至少两个超声断续器区域。至少第一和第二超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，至少第三和第四超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第一侧和所述第二侧彼此相对；所述第一超声换能器和所述第二超声换能器以使得所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器能够向所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器发射倾斜于所述管中的流体的流动方向的测量信号，并且能够接收由所述第三和/或第四超声换能器发射的倾斜于所述管中的流体的流动的测量信号的方式布置。第一嵌体区域以使得由所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第一嵌体区域的方式在所述中央凹部的第一侧上定位于所述中央凹部与所述第一超声换能器和所述第二超声换能器之间。此外，第二嵌体区域以使得由所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第二嵌体区域的方式在所述中央凹部的第二侧上定位于所述中央凹部与所述第三和第四超声换能器之间。所述第五超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，其中，所述第一嵌体区域位于所述第五超声换能器与所述中央凹部之间，所述第六超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第二嵌体区域位于所述第六超声换能器与所述中央凹部之间。所述第五超声换能器和所述第六超声换能器平行于所述中央凹部定位并且彼此相对。所述测量单元被配置成能够测量所述第一嵌体区域和/或所述第二嵌体区域内部的超声信号的传播时间。为此目的，本发明还提供了一种合适的方法。
超声测量装置尤其用于测量管中的体积流量。在已知的装置中，通常为此目的确定第一超声波在移动流动方向上的渡越时间tFWD和第二超声波在完全相反的方向上的渡越时间tBWD。由于由液体的声速与液体的流速的矢量相加来描述的夹带效应，相应的渡越时间增加或减少。可以确定渡越时间差Δt：
Δt＝tFWD-tBWD
根据所述第一超声波和所述第二超声波的传播时间的差Δt，可以通过乘以所谓的Geo因子来确定所述管中的液体的体积流量Q。
Q＝Geo*Δt
其中，
A...内管的横截面
l...声波在管的内壁之间行进的距离
din...内管壁之间的距离
cfl...流体中的声速
β...声波进入流体的进入角。
Geo因子取决于所用测量单元和流体的特性，通常在用于测量单元的校准台上在精确定义的条件下确定。对于使用经校准的测量单元进行的所有后续测量，则假定Geo因子为常数。
然而，一般来说，Geo因子不是常数。虽然管横截面A、内管壁之间的距离din以及声波在内壁之间行进的距离l是常数，但是流体中的声速cfl和角度β取决于测量单元的部件的温度。
用于测量体积流量的超声测量单元通常用作夹持式测量单元，其中，流体承载管固定在所述测量单元的中心。至少一个超声换能器布置在所述管的第一侧上，至少一个第二超声换能器布置在所述管的第二侧上。超声传感器固定在所述测量单元的壳体中。在渡越时间测量期间，超声信号然后由第一超声换能器发射，穿过壳体的一部分(从第一超声换能器到管的距离)、管壁、管中的流体、管壁、壳体的一部分(从管到第二超声换能器的距离)，并且由第二超声换能器接收。物理上，超声信号穿透流体的角度β不仅取决于流体中的声速，还取决于壳体中的声速。
实际测量条件离执行测量单元的校准并因此确定恒定Geo因子的测量条件越远，测量单元的测量结果的测量不准确度将越大。鉴于对这种测量装置的测量精度和灵活性的不断增长的需求，期望考虑温度的影响以及由于流体变化引起的流体中的声速变化对Geo因子的影响，而不将所述Geo因子视为常数。
为此目的，必须了解所用测量单元的特性。所述测量单元的特性是用于测量的声波所穿过的部件中的声速，所述声速是部件中占主导地位的温度的函数。特别是，必须知道管中的流体中和壳体中的声速与温度的函数关系。然而，从现有技术中已知的测量单元和方法根本没有考虑或者仅仅是不够充分地考虑了各个测量单元的特性。
EP 3 489 634 A1公开了一种超声测量装置，其中，测量了流体中的声速并且考虑了管壁的影响。所述装置包括以十字形安装的四个超声换能器，两个超声换能器位于流体承载管的第一侧上，另外两个超声换能器位于流体承载管的第二侧上。每个超声换能器都与管中的流体的流动方向成一定角度布置，并用于测量渡越时间差(Δt)。
借助于由第一超声换能器发射、在管壁内反射并由第二超声换能器接收的超声信号来确定管壁的影响。可选地，衰减元件可以放置在超声换能器之间，所述衰减元件防止超声波直接从所述第一超声换能器传播到所述第二超声换能器。替代性地，所述管壁的影响可以通过垂直于所述流体的流动方向布置的超声换能器来确定。介质中的声速由一对垂直于流动方向布置的超声换能器来测量。
由于四个超声换能器以与流体的流动方向成一定角度的方式布置在壳体中，因此它们不直接邻近流体承载管。因此，发射的超声波在撞击所述管和所述流体之前不可避免地穿过所述壳体的一部分。因此，所述壳体和所述壳体中占主导地位的声速对Geo因子有影响。然而，EP 3 489 634 A1没有考虑壳体的这种影响，因此不能为许多测量任务提供足够高的测量精度。这意味着测量装置只能在有限的范围内使用。
US2006/0174717 A1公开了测量超声波在流管的每一侧处的安装基座的内部中的传播速度。
因此，基于现有技术，本发明的任务是提供一种超声测量装置、特别是用于测量流体承载管中的体积流量的超声波测量装置，以及一种在所有外部测量条件(不同的流体温度、不同的环境温度)下提供高测量精度的方法。这是为了增加超声测量装置的应用范围，同时保持高测量精度。
因此，提供了一种用于测量在管中流动的流体的体积流量的超声测量单元，所述超声测量单元包括：
·具有纵向延伸部的连续的中央凹部，使得所述中央凹部能够接收流体承载管；
·至少六个超声换能器；
·至少两个嵌体区域；
·可选地，至少两个超声断续器区域；
其中，至少第一和第二超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，至少第三和第四超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述中央凹部的第一侧和第二侧彼此相对；
其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器以使得所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器能够向所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器发射倾斜于所述管中的流体的流动方向的测量信号，并且能够接收由所述第三和/或第四超声换能器发射的倾斜于所述管中的流体的流动的测量信号的方式布置；
其中，在所述流体承载管与所述超声测量单元之间没有超声耦合凝胶或油脂；
其特征在于，
第一嵌体区域以使得由所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第一嵌体区域的方式在所述中央凹部的第一侧上定位于所述中央凹部与所述第一超声换能器和所述第二超声换能器之间；
第二嵌体区域以使得由所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第二嵌体区域的方式在所述中央凹部的第二侧上定位于所述中央凹部与所述第三和第四超声换能器之间；
所述第五超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，其中，所述第一嵌体区域位于所述第五超声换能器与所述中央凹部之间；
所述第六超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第二嵌体区域位于所述第六超声换能器与所述中央凹部之间；
所述第五超声换能器和所述第六超声换能器平行于所述中央凹部定位并且彼此相对；
所述第五超声换能器和所述第六超声换能器具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围和6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围；以及
其中，所述超声测量单元被配置成能够测量所述第一嵌体区域和/或所述第二嵌体区域内部的超声信号的传播时间。
此外，提供了一种用于确定根据本发明的超声测量单元的特征参数的方法，其中，流体承载管位于所述超声测量单元中，所述方法包括以下步骤：
·测量所述超声信号在所述第一嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
·计算所述第一嵌体区域中的声速1cinlay、垂直传播穿过所述第一嵌体区域的超声信号的传播时间t2和垂直传播穿过邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t4；
·测量所述超声信号在所述第二嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
·计算所述第二嵌体区域中的声速2cinlay、垂直传播穿过所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t3和垂直传播穿过邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t5；
·测量垂直传播穿过所述第一嵌体区域、邻近所述第一嵌体区域的所述管壁、所述管中的流体、邻近所述第二嵌体区域的所述管壁和所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t1；
·计算垂直传播穿过所述管中的流体的超声信号的传播时间t6＝t1-t2-t3-t4-t5；
·计算所述流体中的声速cfl和/或声波进入所述流体的进入角β。
详细描述
测量单元
根据本发明的超声测量单元包括具有纵向延伸部的连续的中央凹部，使得所述中央凹部能够接收流体承载管。根据现有技术中已知的超声测量单元，根据本发明的测量单元是夹持式单元，这意味着柔性管被夹持在所述测量单元的中央凹部中。由于所述流体承载管与所述超声测量单元之间的高接触力，实现了良好质量的声学耦合，避免了在所述管与所述超声测量单元(特别是嵌体区域与管)之间使用附加的超声耦合凝胶或油脂的必要性。因此，在流体承载管与超声测量单元之间，尤其是在所述管与所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域之间没有超声耦合凝胶或油脂。此外，所述管优选地是具有以下典型特征的塑料管：
邵氏硬度范围：邵氏A20-邵氏A95；
声速范围：700m/s-3000m/s；
密度：0.9-2.5g/cm3；
衰减值：0.05-5dB/mm/MHz；
管外径：3-66mm。
在本发明的一个实施例中，所述管选自包括硅管、全氟烷氧基烷烃(PFA)管和TYGON管的组。TYGON管是由多种材料组成的一系列柔性聚合物管。
在本发明的另一实施例中，在所述管与所述测量单元之间使用耦合垫，其中，所述耦合垫由固体材料制成。优选地，耦合垫位于所述流体承载管与所述第一嵌体区域之间以及所述流体承载管与所述第二嵌体区域之间。这允许将邵氏硬度较高的硬塑料管与所描述的测量单元一起使用，否则所述硬塑料管与嵌体区域的接触面积太小，不足以传输声波。由于高的接触力，所述耦合垫紧贴在管周围，而不需要在所述管与所述耦合垫之间或所述耦合垫与所述超声测量单元之间、尤其是在所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域与所述耦合垫之间使用超声耦合凝胶或油脂。合适的耦合垫具有以下声学特性：
邵氏硬度范围：邵氏A20-邵氏A95；
声速范围：700m/s-2500m/s；
密度：0.9-2.0g/cm3；
衰减值：0.05-5dB/mm/MHz；
厚度：0.2-15mm。
在本发明的上下文中，硬塑料管是具有以下特征的塑料管：
邵氏硬度范围：大于或等于邵氏A95；
声速范围：700m/s-3000m/s；
密度：0.9-2.5g/cm3；
衰减值：0.05-5dB/mm/MHz；
管外径：3-66mm。
硬塑料管的示例是全氟烷氧基烷烃(PFA)管、聚偏二氟乙烯(PVDF)管和PE(聚乙烯)管。
其中，厚度描述了在管壁与相应的嵌体区域之间的耦合垫的尺寸。优选地，在管的两侧上均使用耦合垫。
所述测量单元包括至少六个超声换能器。所述至少六个超声换能器通过粘附剂借助于均匀的0间隙结合的方式附接到所述第一嵌体区域或第二嵌体区域。这使得粘附剂层的厚度小于声信号波长的1倍。因此，粘附剂层不具有声学影响。至少第一和第二超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，至少第三和第四超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述中央凹部的第一侧和第二侧彼此相对。此外，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器以使得所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器能够向所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器发射倾斜于所述管中的流体的流动方向的测量信号并且能够接收由所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器发射的倾斜于所述管中的流体的流动的测量信号的方式布置。
优选地，所述第一超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，所述第四超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，两个超声换能器以使得由所述第一超声换能器发射的超声信号能够被所述第四超声换能器接收到的方式布置，反之亦然。此外，所述第二超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，所述第三超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，两个超声换能器以使得由所述第二超声换能器发射的超声信号能够被所述第三超声换能器接收到的方式布置，反之亦然。因此，所述第一至第四超声换能器采用十字形布置，并且倾斜于所述中央凹部布置，因此倾斜于所述管中的流体的流动方向布置。
所述测量单元还包括至少两个嵌体区域。第一嵌体区域以使得由定位在所述中央凹部的第一侧上的所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第一嵌体区域的方式在所述中央凹部的第一侧上定位于所述中央凹部与所述第一超声换能器和所述第二超声换能器之间。第二嵌体区域以使得由定位在所述中央凹部的第二侧上的所述第三超声换能器和/或所述第四超声换能器接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第二嵌体区域的方式在所述中央凹部的第二侧上定位于所述中央凹部与所述第三超声换能器和所述第四超声换能器之间。
优选地，所述至少两个嵌体区域具有以下声学特性：
声速范围：1500-3000m/s；
声阻抗范围：1*106-5*106Ns/m3；
密度：0.9-2.0g/cm3；
衰减值：0.05-5dB/mm/MHz。
根据本发明的一个实施例，所述至少两个嵌体区域包括包含ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-共聚物)、PEEK(聚醚醚酮)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)的组中的材料。
所述第五超声换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，其中，所述第一嵌体区域位于所述第五超声换能器与所述中央凹部之间，所述第六超声换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第二嵌体区域位于所述第六超声换能器与所述中央凹部之间。
所述第五超声换能器和所述第六超声换能器平行于所述中央凹部定位并且彼此相对。这意味着由所述第五超声换能器或所述第六超声换能器发射的超声信号穿过第一嵌体区域、具有流体的管、第二嵌体区域，并且由与所述第五超声换能器或所述第六超声换能器相对的超声换能器接收。此外，所述第五超声换能器和所述第六超声换能器被配置成能够发射超声信号并接收超声信号，所述超声信号或者是反射的超声信号或者是由超声换能器发射的信号。
优选地，所述第五超声换能器定位在所述第一超声换能器与所述第二超声换能器之间，所述第六超声换能器定位在所述第三超声换能器与所述第四超声换能器之间。
根据本发明，所述第五超声换能器和所述第六超声换能器具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围和6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围。在一个优选实施例中，所述第五超声换能器和所述第六超声换能器包括压电复合材料。通过使用根据本发明的超声波，所述第五超声换能器和所述第六超声换能器能够发射短脉冲信号。对于1-2个脉冲，这对应于相应换能器频率周期的1-2倍，即0.3-1μs(在3至2MHz的范围内)。在本发明的一个优选实施例中，脉冲信号具有1至2.5μs之间的长度。短脉冲信号的优点在于，超声换能器发射信号并因此不能接收超声信号的时间窗口相应地缩短。在现有技术中，使用包括压电陶瓷的测量单元超声换能器。对于标准压电陶瓷，波完全衰减之前的信号长度大约是所描述的超声换能器信号长度的两倍长。
在本发明的一个优选实施例中，超声发射器发射频率为1MHz至4MHz的脉冲信号。通过使用根据本发明的超声换能器，在发射脉冲信号之后较短时间内，所述超声换能器可以接收超声信号。由此，使得能够通过与包括压电陶瓷的超声换能器相比运行时间更短的超声换能器来接收和检测反射的回波信号。
在本发明的一个实施例中，所述第五超声换能器与所述中央凹部之间的第一嵌体区域的膨胀量在4mm至12mm之间、优选地在4mm至8mm之间、更优选地在5mm至6mm之间，所述第六超声换能器与所述中央凹部之间的第二嵌体区域的膨胀量与之相等。选择所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域的膨胀量，使得所述超声换能器的激励信号已经衰减成使得同一超声换能器可以不受干扰地接收回波。
因此，所述测量单元的设计使得能够使用所述第五超声发射器和/或所述第六超声发射器测量在内管壁和外管壁上反射的超声信号。因此，所述管的内壁被限定为所述管壁与所述管中的流体的界面，所述管的外壁被限定为嵌体区域与所述中央凹部中的管的界面。
在本发明的一个实施例中，所述超声信号由所述第五超声换能器发射。所述超声信号由外管壁和内管壁反射，并且反射的超声信号由所述第五超声换能器接收。因此，可以检测所述管壁内部和所述第一嵌体区域内部的超声信号的运行时间。根据本发明，所述测量单元的所有尺寸都是已知的。因此，可以计算所述管壁内部和所述第一嵌体区域内部的超声波的声速。
在本发明的另一实施例中，所述超声信号由所述第六超声换能器发射。所述超声信号由外管壁和内管壁反射，并且反射的超声信号由所述第六超声换能器接收。因此，可以检测所述管壁内部和所述第二嵌体区域内部的超声信号的运行时间。因此，可以计算所述管壁内部和所述第二嵌体区域内部的声速。
测量这些超声回波仅在这样的情况下是可能的：一方面使用了根据本发明的超声换能器、例如压电复合材料，其能够实现短脉冲信号，另一方面嵌体区域位于所述第五超声换能器与所述第六超声换能器之间，所述嵌体区域在超声信号进入所述中央凹部中的管之前提供了超声信号的明确限定的预行进距离。因此，可以将接收到的反射的超声信号与发射的脉冲信号分离。
此外，该对所述第五超声换能器和所述第六超声换能器可以用于测量由或者所述第五超声换能器或者所述第六超声换能器发射的超声信号，所述超声信号行进穿过第一嵌体区域、穿过具有流体的管、穿过第二嵌体区域并且由或者所述第六超声换能器或者所述第五超声换能器接收。在一个实施例中，所述超声信号由所述第五超声换能器发射并且由所述第六超声换能器接收。在另一实施例中，所述超声信号由所述第六超声换能器发射并且由所述第五超声换能器接收。该测量路径使得能够检测超声波的运行时间，所述超声波垂直于所述管中的流体传播，因此不受所述流体的流动的影响。
所述第一超声换能器和所述第二超声换能器优选地与所述中央凹部成角度δ'布置，使得所述第一超声换能器可以发射测量信号，所述测量信号在所述第一嵌体区域与管壁之间的界面以及所述管壁与所述管中的流体之间的界面上反射，其中，所述反射信号由所述第二超声换能器接收；
和/或
所述第二超声换能器可以发射测量信号，所述测量信号在所述第一嵌入区域与管壁之间的界面以及所述管壁与所述管中的流体之间的界面上反射，其中，所述反射信号由所述第一超声换能器接收；
和/或
所述第三超声换能器和所述第四超声换能器与所述中央凹部成角度δ'布置，使得所述第三超声换能器可以发射测量信号，所述测量信号在所述第二嵌体区域与管壁之间的界面以及所述管壁与所述管中的流体之间的界面上反射，其中，所述反射信号由所述第四超声换能器接收；
和/或
所述第四超声换能器可以发射测量信号，所述测量信号在所述第二嵌体区域与管壁之间的界面以及所述管壁与所述管中的流体之间的界面上反射，其中，所述反射信号由所述第三超声换能器接收。
此外，所述第一至第四超声换能器与所述中央凹部成角度δ'布置，其中，δ'在55°至75°之间、优选地在60°至70°之间、最优选地为65°。
由于这种组装，可以测量由所述中央凹部中的管的内壁反射的超声信号的运行时间和由所述中央凹部中的管的外壁反射的超声信号的运行时间。因为超声波在这些运行时间期间行进的距离是已知的，所以可以计算嵌体内部和所述管壁内部的声速。如果声速是已知的，则可以针对任何距离计算超声波在所述嵌体内部和/或所述管壁内部的运行时间。
通过利用所述第一超声发射器和所述第二超声发射器，可以测量所述第一嵌体区域内部的声速和所述管壁内部的声速。通过利用所述第三超声发射器和所述第四超声发射器，可以测量所述第二嵌体区域内部的声速和所述管壁内部的声速。
由于超声测量单元的设计，所述测量单元被配置成能够测量超声信号在所述第一嵌体区域和/或所述第二嵌体区域内部的传播时间。这可以或者通过利用平行于所述中央凹部定位的超声换能器中的至少一个或者通过利用所述第一超声换能器和所述第二超声换能器或者所述第三超声换能器和所述第四超声换能器来完成。
在所述超声测量单元包括所述管与所述第一嵌体区域之间以及所述管与所述第二嵌体区域之间的耦合垫的情况下，也可以测量所述耦合垫内部的超声信号的传播时间。这可以或者通过利用平行于所述中央凹部定位的超声换能器中的至少一个或者通过利用所述第一超声换能器和所述第二超声换能器或者所述第三超声换能器和所述第四超声换能器来完成。
在一个实施例中，所述超声测量单元还包括至少一个超声断续器区域，其中，所述超声断续器区域或者在所述中央凹部的第一侧上定位于所述第一超声换能器与所述第二超声换能器之间，或者在所述中央凹部的第二侧上定位于所述第三超声换能器与所述第四超声换能器之间；其中，所述断续器区域以使得由所述第一超声发射器发射或所述第二超声发射器发射并且在所述第一嵌体区域与所述中央凹部中的管壁之间的界面上反射的超声信号在没有被所述断续器区域衰减的情况下传播到所述第二换能器或所述第一换能器的方式布置，或者以使得由所述第三超声发射器或所述第四超声发射器发射并且在所述第二嵌体区域与所述中央凹部中的管壁之间的界面上反射的超声信号在没有被所述断续器区域衰减的情况下传播到所述第四换能器或所述第三换能器的方式布置。
在本发明的另一实施例中，所述测量单元包括两个超声断续器区域，其中，所述第一超声断续器区域在所述中央凹部的第一侧上定位于所述第一超声换能器与所述第二超声换能器之间，所述第二超声断续器区域在所述中央凹部的第二侧上定位于所述第三超声换能器与第四超声换能器之间。所述第一断续器区域以使得由所述第一超声发射器或所述第二超声发射器发射并且在所述第一嵌体区域与所述中央凹部中的管壁之间的界面上反射的超声信号在没有被所述第一断续器区域衰减的情况下传播到所述第二或第一换能器的方式布置；以及所述第二断续器区域以使得由所述第三超声波发射器或所述第四超声波发射器发射并且在所述第二嵌体区域与所述中央凹部中的管壁之间的界面上反射的超声信号在没有被所述第二断续器区域衰减的情况下传播到所述第四或第三换能器的方式布置。
因此，反射的超声信号不被超声断续器区域衰减。但是有利地，所述断续器区域防止未在嵌体区域与管壁之间的界面上反射的超声信号被所述中央凹部的同一侧上的超声发射器接收。这意味着超声信号既不直接从所述第一超声换能器传输到所述第二超声换能器，反之亦然，也不直接从所述第三超声发射器传输到所述第四超声发射器，反之亦然。通过该特征，信号质量得到增强，并且省略了反射信号与直接来自发射超声发射器的信号的不想要的重叠。
所述至少一个超声断续器区域包括包含空气、软木和金属的组中的材料。原则上，其声音特性阻抗与嵌体区域的材料的声音特性阻抗显著不同或具有特别高的声音衰减的每种材料都是合适的。
根据本发明，所述第一至第四超声发射器包括压电复合材料、压电陶瓷或具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围和6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围的超声换能器，优选地，所述第一至第四超声发射器包括压电复合材料。已经描述了合适的压电复合材料。在本发明的一个优选实施例中，超声发射器发射频率为1MHz至4MHz的脉冲信号，最优选频率为3MHz。
在本发明的另一实施例中，所述超声测量单元还包括第七和/或第八超声换能器，其中，所述第七换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，其中，所述第一嵌体区域位于所述第七换能器与所述中央凹部之间，所述第八换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第二嵌体区域位于所述第八换能器与所述中央凹部之间。所述第七换能器和所述第八换能器具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围和6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围。在一个优选实施例中，所述第七超声换能器和所述第八超声换能器包括压电复合材料。
在本发明的另一实施例中，所述超声测量单元还包括第七和第八超声换能器，其中，所述第七换能器定位在所述中央凹部的第一侧上，其中，所述第一嵌体区域位于所述第七换能器与所述中央凹部之间，所述第八换能器定位在所述中央凹部的第二侧上，其中，所述第二嵌体区域位于所述第八换能器与所述中央凹部之间。所述第七换能器和所述第八换能器平行于所述中央凹部定位并且彼此相对。
优选地，所述第七超声换能器定位在所述第一超声换能器与所述第二超声换能器之间，所述第八超声换能器定位在所述第三超声换能器与所述第四超声换能器之间。
所述第七和第八超声换能器的功能对应于所述第五和第六超声换能器的功能。因此，针对所述第五超声换能器和所述第六超声换能器描述的所有特征也适用于所述第七和第八超声换能器。平行于所述中央凹部定位的另一超声换能器使得能够在所述超声测量单元的另一位置上测量如已经描述的反射回波。因此，可以在所述超声测量单元内部的两个不同位置上确定嵌体区域和管壁中的声速。因此，可以考虑所述测量单元内部的温度梯度，例如由靠近的电子部件引起的温度梯度。
在本发明的一个实施例中，所述超声测量单元包括定位在所述第五超声换能器与所述第七超声换能器之间的至少一个超声断续器区域。在本发明的另一实施例中，所述超声测量单元包括定位在所述第六超声换能器与所述第八超声换能器之间的至少一个超声断续器区域。
在本发明的另一实施例中，所述超声测量单元还包括至少一个温度传感器。所述温度传感器被配置成测量所述管中的流体的温度。因此，所述温度传感器优选地定位在所述第一嵌体区域或所述第二嵌体区域与所述中央凹部的界面上。优选地，所述温度传感器不在由所述超声测量单元的超声换能器中的任何一个发射的超声信号的传播路径中。合适的温度传感器例如是PT100、PT1000和热电偶。所述温度传感器应覆盖-20至100℃的温度范围。
所述超声测量单元还包括紧凑型传感器电子器件。所述紧凑型传感器电子器件包括用于信号放大和传播时间测量的装置，从而能够对所述超声信号进行后放大。此外，所述紧凑型传感器电子器件包括能够进行脉冲回波测量的开关。
在一个优选实施例中，所述紧凑型传感器电子器件适于进一步处理测量数据。特别地，所述紧凑型传感器电子器件被设置成根据本发明的方法执行计算。这具有的优点是：根据本发明的超声测量单元提供了一种用于测量管中的流体的流动的紧凑型装置，由此提供了对外部测量条件的校正。有利地，在本实施例中不需要例如在外部计算装置上的进一步数据处理。此外，在一个实施例中，所述超声测量单元包括电流输出端和/或数字输出端，其中，测得的和/或计算出的数据可以经由所述电流输出端和/或所述数字输出端输出。
在本发明的另一实施例中，所述超声测量单元包括到外部计算装置的至少一个接口。合适的外部计算装置可以例如是PC、平板电脑或智能手机。所述外部计算装置适于进一步处理由所述超声测量单元测得的数据。特别地，所述外部计算装置被设置为根据本发明的方法执行计算。所述外部计算装置可以包括用于可视化测得的和/或计算出的数据的显示器。
方法
本发明还包括一种用于确定根据本发明的测量单元的特征参数的方法，其中，所述流体承载管位于所述测量单元中，所述方法包括以下步骤：
·测量所述超声信号在所述第一嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
·计算所述第一嵌体区域中的声速1cinlay、垂直传播穿过所述第一嵌体区域的超声信号的传播时间t2和垂直传播穿过邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t4；
·测量所述超声信号在所述第二嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
·计算所述第二嵌体区域中的声速2cinlay、垂直传播穿过所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t3和垂直传播穿过邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t5；
·测量垂直传播穿过所述第一嵌体区域、邻近所述第一嵌体区域的所述管壁、所述管中的流体、邻近所述第二嵌体区域的所述管壁和所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t1；
·计算垂直传播穿过所述管中的流体的超声信号的传播时间t6＝t1-t2-t3-t4-t5；
·计算所述流体中的声速cfl和/或声波进入所述流体的进入角β。
针对本发明的超声测量单元所描述的所有特征也适用于本发明的方法，反之亦然。
根据本发明，测量所述测量超声信号在所述第一嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及与它们相关的超声信号的传播时间。
利用根据本发明的测量单元，可以使用以下测量路径：
a)所述第五超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第五超声换能器接收；
b)如果存在第七超声换能器，则所述第七超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第七超声换能器接收；
c)所述第一超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第二超声换能器接收；
d)所述第二超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第一超声换能器接收；
所有测量路径都可以单独使用或相互结合使用。
此外，计算所述第一嵌体区域中的声速1cinlay、垂直传播穿过所述第一嵌体区域的超声信号的传播时间t2和垂直传播穿过邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t4。
通过使用测量路径a)和/或b)，由所述超声换能器接收到的回波信号立即包含传播时间t2和t4。
和
其中t2*和t4*是所测得的反射的超声信号(回波信号)的传播时间。
所述第一嵌体区域内部的声速和邻近所述第一嵌体区域的管壁内部的声速可以通过关系式v＝s/t来计算。穿过所述第一嵌体区域的路径长度和所述管壁的厚度是已知的参数。
与已经描述的相类似地，通过使用测量路径c)和/或d)，检测到的回波信号可以用于计算所述第一嵌体区域内部和邻近所述第一嵌体区域的所述管壁内部的声速，从而
和
其中t7是由所述第一超声换能器或所述第二超声换能器发射的、在管壁与第一嵌体区域的界面处反射并由所述第二或第一超声换能器接收到的超声信号的传播时间。以及t8是由所述第一超声换能器或所述第二超声换能器发射的、在管壁与流体的界面处反射并由所述第二或第一超声换能器接收到的超声信号的传播时间。经由关系式v＝s/t，可以计算传播时间t2和t4。
根据本发明的方法，测量所述超声信号在所述第二嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间。
利用根据本发明的测量单元，可以使用以下测量路径：
e)所述第六超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第六超声换能器接收；
f)如果存在第八超声换能器，则所述第八超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第八超声换能器接收；
g)所述第三超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第四超声换能器接收；
h)所述第四超声换能器发射超声信号，其被反射并由所述第三超声换能器接收。
同样，所有测量路径都可以单独使用或相互结合使用。
使用所测得的传播时间，可以计算在第二嵌体区域中的声速2cinlay，垂直传播穿过所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t3和垂直传播穿过邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的超声信号的传播时间t5。这类似于已经描述的用于计算参数1cinlay、t2和t4的操作。
有利地，本发明的方法不仅能够测量所述管中的声速ctube，而且能够测量所述嵌体区域中的声速，从而独立地测量两个嵌体区域的声速。因此，可以考虑温度梯度或所述嵌体区域的材料的不均匀性，其影响嵌体区域内的声速。
在本发明的一个实施例中，可以使用测量路径a)、b)、e)和g)。在本实施例中，还可以通过测量一个嵌体区域内的两个不同位置处的一个嵌体区域的声速来考虑一个嵌体区域内部的温度梯度。
因此，在本发明的一个实施例中，所述超声信号在所述第一嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间由平行于所述中央凹部的超声换能器测量；以及
所述超声信号在所述第二嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间由平行于所述中央凹部的另一超声换能器测量。
在本发明的另一实施例中，使用所述第一超声换能器和所述第二超声换能器来测量所述超声信号在所述第一嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间，使用所述第三超声换能器和所述第四超声换能器来测量所述超声信号在所述第二嵌体区域与所述相邻管壁的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域的所述管壁的内表面与所述管中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间。
此外，测量垂直传播穿过所述第一嵌体区域、邻近所述第一嵌体区域的所述管壁、所述管中的流体、邻近所述第二嵌体区域的所述管壁和所述第二嵌体区域的超声信号的传播时间t1。
利用根据本发明的测量单元，平行于所述中央凹部定位的一对超声发射器可以用于测量。在一个优选实施例中，所述第五超声换能器和所述第六超声换能器组成合适的一对和/或所述第七超声换能器和所述第八超声换能器组成合适的一对。
基于这些测量值，可以计算出垂直传播穿过所述管中的流体的超声信号的传播时间t6＝t1-t2-t3-t4-t5。通过已知的关系式v＝s/t，可以计算所述流体中的声速cfl。穿过所述流体的路径长度对应于管的内径，所述管的内径是已知的参数。
因此，所述方法能够测量所述流体中的声速cfl、所述管壁中的声速ctube以及所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域中的声速lcinlay和2cinlay。
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括计算超声信号进入所述管内部的流体的入射角β'的步骤。入射角β'与声波进入所述流体的进入角β之和为90°。因此，一个角度可以从另一个角度计算出来。
通过该等式可以计算超声信号从所述第一嵌体区域进入所述管的入射角β'1，通过等式/>可以计算超声信号从所述第二嵌体区域进入所述管的入射角β'2。
有利地，可以针对从所述第一嵌体区域进入所述管的超声信号并且独立地针对从所述第二嵌体区域进入所述管的超声信号来计算入射角。如果所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域内部的声速(例如由于温度梯度)是不同的，则本发明的方法会考虑到这一点。因此，提高了测量精度。
因此，所述方法使得能够利用不同的测量路径来测量所述流体中的声速cfl、所述管壁中的声速ctube以及所述第一嵌体区域和所述第二嵌体区域的声速1cinlay和2cinlay，这使得能够进行冗余测量，这又提高了测量精度。
在本发明的一个实施例中，所述超声测量单元包括在所述管与所述第一嵌体区域之间以及在所述管与所述第二嵌体区域之间的耦合垫。可以类似于已经描述的步骤来测量和计算所述管与所述第一嵌体区域之间的耦合垫内部的声速1cpad以及所述管与所述第二嵌体区域之间的耦合垫内部的声速2cpad。
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：
·测量由所述第一超声换能器发射的超声信号穿过所述管中的流体传播到所述第四超声换能器的传播时间tFWD 1→4和由所述第四超声换能器发射的超声信号穿过所述管中的流体传播到所述第一超声换能器的传播时间tBWD 4→1和/或由所述第二超声换能器发射的超声信号穿过所述管中的流体传播到所述第三超声换能器的传播时间tFWD 2→3和由所述第三超声换能器发射的超声信号穿过所述管中的流体传播到所述第二超声换能器的传播时间tBWD 3→2，以及
·计算所述管中的流体的体积流量Q。
如果入射角β'1等于入射角β'2，则可以通过以下等式计算出体积流量
与
其中，
Geocal…被视为常数的测量单元的校准的Geo因子；
Δt…由Δt＝tFWD-tBWD计算出的传播时间差；
cfl…测得的流体中的声速；
β…90°-β＝β′，其中，β'是测得的入射角；
βcal…90°-βcal＝β′cal，其中，β′cal是超声测量单元的校准期间测得的入射角；
cfl,cal…超声测量单元的校准期间测得的流体中的声速。
cf1,cal和βcal是在超声测量单元的校准期间确定的。这是在明确限定的条件下使用已知的介质，例如，已知温度下的水进行的。校准因子Geocal也在此情况下确定。
因此，本发明的方法使得在计算体积流量时能够考虑例如由温度变化引起的入射角或流体中的声速的变化。因此，所述计算出的体积流量与通过根据现有技术的测量单元和方法测得和计算出的体积流量相比更准确。
有利地，还可以考虑，如果由于任何原因，入射角β'1不等于入射角β'2。在这种情况下，体积流量计算如下：
和/或
与
与以及
与
其中，
90°-β1,cal＝β′1,cal90°-β2,cal＝β′2,cal
和
是体积流量，其中，tFWD和tBWD由第一超声换能器和第四超声换能器测得；
是体积流量，其中，tFWD和tBWD由第二超声换能器和第三超声换能器测得。
β'1,cal和β'2,cal描述了在一个明确限定的温度下使用一种众所周知的流体校准所述超声测量单元期间测得的入射角。在此校准步骤中确定Geocal1、Geocal2、Geo1,cal、Geo2,cal、β'1,cal、β'2,cal和cfl,cal，因此在本发明方法中将这些值视为常数。
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括用公知的介质，例如，在明确限定的温度下的水校准测量单元的步骤。在此校准期间，确定值Geocal1、Geocal2、Geo1,cal、Geo2,cal、β'1,cal、β'2,cal和cfl,cal。
在一个优选实施例中，根据本发明的计算由所述超声测量单元的紧凑型传感器电子器件执行。在本发明的一个实施例中，所述超声测量单元包括电流输出端和/或数字输出端。因此，在一个实施例中，本发明的方法还包括经由所述电流输出端和/或所述数字输出端输出测得和/或计算出的数据的步骤。
在另一实施例中，根据本发明的计算由外部计算装置执行。上面描述了合适的外部计算装置。在本实施例中，根据本发明的方法还包括将所述测得的数据转发到所述外部计算装置的步骤，这可以经由紧凑型传感器电子器件来完成。
在一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：
·测量所述管中的流体的温度。
所述流体承载管中的流体的温度可以由所述超声测量单元的温度传感器测量，并且提供关于所述流体的状况的附加信息。
附图说明
在下面，通过7个附图和5个示例进一步描述本发明。
图1示出了根据本发明的超声测量单元的一个实施例；
图2示出了根据本发明的超声测量单元的另一实施例；
图3示出了根据本发明的超声测量单元的另一实施例；
图4示出了本发明的一个实施例的一部分以及超声信号在不同界面处的入射角；
图5(A)至图5(C)示出了由测量单元的超声换能器接收到的超声信号；
图6(a)至图6(f)示出了本发明的一个示例的结果；
图7示出了本发明的另一示例的结果。
具体实施方式
在下面的图中，管内部的流体的流动方向由箭头示出。当然，流动方向也可以反过来。本发明的方法可以以相同的方式应用。只有用于测量tFWD和tBWD的测量路径必须互换。为了简单起见，在下面仅详细解释了一个流动方向。图1至图3示意性地示出了本发明的实施例，为了简单起见，在图示中没有考虑折射定律的影响。
图1示出了根据本发明的超声测量单元100的一个实施例。测量单元包括六个超声换能器11-16，其中，第一超声换能器11、第二超声换能器12和第五超声换能器15定位在中央凹部的第一侧70上。管20位于中央凹部内部。第三超声换能器13、第四超声换能器14和第六超声换能器16定位在中央凹部的第二侧80上。中央凹部的第一侧70和第二侧80彼此相对。
第一超声换能器11和第二超声换能器12以使得第一超声换能器11和/或第二超声换能器12能够向第三超声换能器13和/或第四超声换能器14发射倾斜于管20中的流体的流动方向的测量信号并且能够接收由第三超声换能器13和/或第四超声换能器14发射的倾斜于管20中的流体的流动的测量信号的方式布置。
此外，第一嵌体区域30在中央凹部的第一侧70上定位于管20与第一超声换能器11和第二超声换能器12之间。由第一超声发射器11和/或第二超声发射器12发射或接收到的超声信号穿过第一嵌体区域30的至少一部分。第二嵌体区域40在中央凹部的第二侧80上定位于管20与第三超声换能器13和第四超声换能器14之间。由第三超声发射器13和/或第四超声发射器14发射或接收到的超声信号穿过第二嵌体区域40的至少一部分。
第五超声换能器15定位在中央凹部的第一侧70上，其中，第一嵌体区域30位于第五超声换能器15与具有管20的中央凹部之间。第六超声换能器16定位在中央凹部的第二侧80上，其中，第二嵌体区域40位于第六换能器16与具有管20的中央凹部之间。此外，第五超声换能器15和第六超声换能器16平行于中央凹部定位并且彼此相对。
附图标记1至9示出了测量信号的可能路径的一部分。下表给出了第六超声换能器16的超声信号的路径的概述。
可以使用第五超声换能器15来测量类似信号。在这种情况下，能够测量和检测第一嵌体区域30内部的声速。为了清楚起见，图中没有示出这些路径。
通过使用明确限定的嵌体区域30、40和包括压电复合材料的超声换能器，可以区分出由发射超声信号的超声换能器接收到的作为回波(路径2至5)的信号。在现有技术的测量单元中，这些信号至少部分地彼此重叠，因此传播时间不能彼此分开，因此不能被检测到。
下表给出了第一至第四超声换能器11-14的超声信号的路径的概述。
可以使用第三超声发射器13和第四超声发射器14以类似的方式测量类似于路径6和7的路径。为了清楚起见，图中没有示出这些路径。
图2示出了本发明的另一实施例。除了图1所示的超声单元100的部件之外，超声测量单元100还包括第一超声断续器区域90和第二超声断续器区域91。第一超声断续器区域90在中央凹部的第一侧70上定位于第一超声换能器11与第二超声换能器12之间，第二超声断续器区域91在中央凹部的第二侧80上定位于第三超声换能器13与第四超声换能器14之间。第一断续器区域90以使得由第一超声发射器11或第二超声发射器12发射并且在第一嵌体区域30与中央凹部中的管壁21之间的界面上反射的超声信号在没有被第一断续器区域90衰减的情况下传播到第二换能器12或第一换能器11的方式布置。此外，第二断续器区域91以使得由第三超声发射器13或第四超声发射器14发射并且在第二嵌体区域40与中央凹部中的管壁22之间的界面上反射的超声信号在没有被第二断续器区域91衰减的情况下传播到第四换能器14或第三换能器12的方式布置。
图3示出了根据本发明的另一超声测量单元100。测量单元100还包括第七超声换能器17和第八超声换能器18。第七超声换能器定位在中央凹部的第一侧70上，其中，第一嵌体区域30位于第七超声换能器17与中央凹部之间。第八超声换能器18定位在中央凹部的第二侧80上，其中，第二嵌体区域40位于第八超声换能器18与中央凹部之间。第七超声换能器17和第八超声换能器18包括压电复合材料，并且平行于中央凹部定位并且彼此相对。因此，第七超声换能器17和第八超声换能器18可以用于与第五超声换能器15和第六超声换能器16相同的测量功能。有利地，由此可以在测量单元内部的两个不同位置处测量和计算第一嵌体区域30和第二嵌体区域40的声速。因此，也可以针对测量单元中的不同位置计算入射角β'cal。优选地，如图3所示，第七超声换能器17定位在第一超声换能器11与第二超声换能器12之间，第八超声换能器18定位在第三超声换能器13与第四超声换能器14之间。
图4示意性地示出了具有管壁21、22的管20。示出了第一超声换能器11、第二超声换能器12、第五超声换能器15和第一嵌体区域30。图4示出了由第一超声换能器11发射的超声信号传播穿过第一嵌体区域30、管壁21和管中的流体。示出了界面上的折射角。此外，示出了内管壁之间的距离din以及声波在管的内壁之间行进的距离l。还示出了入射角β'和声波进入流体的进入角β。此外，σ＝δ′。
图5(A)至图5(C)示出了由测量单元的超声换能器接收到的超声信号。
图6和图7示出了示例4和示例5的测量结果，并在下面进一步描述。
示例1
利用包括第六超声换能器的测量单元来测量反射的超声信号。第五超声换能器与中央凹部之间的第一嵌体区域的膨胀量以及第六超声换能器与中央凹部之间的第二嵌体区域的膨胀量分别为6.1mm。平行于中央凹部定位的第六超声换能器用于发射超声脉冲信号。反射的回波信号由第六超声换能器接收。在以下情境下进行了测量：
(i)使用空的中央凹部，因此在测量单元内部没有任何管；
(ii)使用空管，因此没有流体流过管；
(iii)在中央凹部内部具有管，其中，水流过所述管。
测量的信号如图5(A)所示。首先，示出了脉冲信号，第二个回波可以归属于在第二嵌体区域与管壁的界面上的反射(对应于图1至图3中的路径2)。与测量(ii)和(iii)的信号相比，测量(i)的信号更明显，其中，测量(ii)和(iii)的信号彼此重叠。接下来的回波是由于在内管壁与管内部的介质的界面上反射的回波(对应于图1至图3中的路径3)。对于空管(ii)，所述信号最明显，但是对于装有水的管(iii)也可以读出所述信号。测量表明，根据本发明的测量单元能够检测在嵌体区域与管壁的界面处反射的超声信号以及检测在内管壁与管内部的流体的界面处反射的信号，其中，两个反射信号可以在检测的信号中彼此分离并且可以与脉冲信号分离。
基于测量(ii)，根据本发明计算第二嵌体区域2cinlay内部的声速，其中，2cinlay＝第一嵌体的膨胀量/(t*2/2)。
第一嵌体的膨胀量 检测到第一回波的时间 2cinlay
6.1mm t*2＝6.40E-06s 1906m/s
第二回波可以归属于在邻近第二嵌体区域的内管壁与流体的界面上的反射，因此管壁内部的声速可以计算如下：
管的横截面 第二回波时间 ctube
1.6mm t*4＝9.70E-06s 970m/s
其中，
以及
示例2
将装有流动水的管插入根据示例1的测量单元中。利用第一超声换能器和第二超声换能器测量在第一嵌体区域与管壁的界面上以及在内管壁与管内部的流体的界面上反射的超声信号。
图5(B)示出了放大后的测量信号。在脉冲之后，第一回波是可见的，所述第一回波可以归属于在第二嵌体区域与管壁的界面上反射的超声信号(对应于图1至图3中的路径6)。第二回波可以归属于在内管壁与管内部的水的界面上的反射(对应于图1至图3中的路径7)。第三回波是由于超声信号在管内部的水与邻近第一嵌体区域的内管壁的界面上的反射。有利地，反射信号和脉冲信号可以彼此清楚地分离。
图5(C)示出了具有移位时间尺度的相同测量信号。脉冲信号是不可见的，因此所有反射的超声信号都被示出。同样，第一回波可以归属于在第二嵌体区域与管壁的界面上反射的超声信号(对应于图1至图3中的路径6)。第二回波可以归属于在内管壁与管内部的水的界面上的反射(对应于图1至图3中的路径7)。第三回波是由于超声信号在管内部的水与邻近第一嵌体区域的内管壁的界面上的反射。第四回波是由于超声信号在管壁与第一嵌体区域的界面上的反射。
示例3
使用示例3的设置来测量三种不同温度下的不同流体的声速。
(a)IPA，在19℃
(b)水，在23℃
(c)水，在53℃
t7是由第一超声换能器发射的、在管壁与第一嵌体区域的界面处反射并由第二超声换能器接收到的超声信号的传播时间。通过第五和第六超声换能器测量垂直传播穿过第一嵌体区域、邻近第一嵌体区域的管壁、管中的流体、邻近第二嵌体区域的管壁和第二嵌体区域的超声信号的传播时间t1。根据以下等式计算嵌体和管中的声速：
以及
假设第一嵌体区域和第二嵌体区域中的声速相等。经由关系式c＝s/t，使用以下尺寸计算时间t2、t3、t4和t5：
第一/第二嵌体区域的膨胀量：6.1mm
管的横截面：1.6mm
根据等式t6＝t1-t2-t3-t4-t5计算出了垂直传播穿过管中的流体的超声信号的传播时间，并通过关系式c＝s/t计算出了流体中的声速cfl,cal，其中s＝6.35mm。
将计算结果与文献值(L.Bergmann：Der Ultraschall；5.Auflage；S.HirzelVerlag Stuttgart1949和http://www.ddbst.com/en/EED/PCP/SOS_C95.php)和用现有技术装置测得的值进行比较，表明本发明的方法提供了非常好的数据质量。
示例4
使用示例4的设置来测量在三个不同温度下水中的声速。
(a)水，在35℃
(b)水，在45℃
(c)水，在60℃
水的体积流量通过以下测量：
(i)用作参考传感器的Coriolis流量传感器；
(ii)根据本发明的装置，
其中，
ii.1使用“激活的”Geo因子校正来计算体积流量；以及
ii.2使用“禁用的”Geo因子校正来计算体积流量。
对于使用“激活的”Geo因子校正(ii.1)来计算体积流量，根据说明书中给出的等式使用Geo因子。对于使用“禁用的”Geo因子校正(ii.2)来计算体积流量，和tanβ＝tanβcal适用于Geo因子。
借助于脉冲回波，使用路径2来确定在嵌体中的传播时间，并由此计算嵌体中的声速(cinlay)。管中的声速(ctube)通过测量从第一换能器到第二换能器的在嵌体与管之间的界面处的反射的传播时间来确定。由此，在水中的传播时间以及由此水中的声速(cfl)以及由此角度β通过在垂直声音路径之上的传播时间测量来实时确定。
根据本发明的装置用温度为23℃的水校准。
图6(a)至图6(c)示出了所有不同水温的测量结果。在这些图中绘制了基于利用本发明的装置的测量结果计算的体积流量与利用Coriolis传感器测得的体积流量的绝对偏差相对于体积流量的关系。示出了基于利用本发明的装置在使用激活的Geo因子校正和使用禁用的Geo因子校正的情况下的测量结果来计算的体积流量的结果，其中，补偿激活代表激活的Geo因子校正，补偿去激活代表禁用的Geo因子校正。图6(d)至图6(f)示出了相同的测量结果，但是绘制了相对偏差。
在没有补偿激活的情况下，可以看到随着介质温度的升高，体积流量与由Coriolis传感器测得的体积流量的偏差增大，这伴随着介质中的声速的变化。
对于2500ml/min的体积流量，相对偏差(补偿去激活)为：
温度 偏差
35℃ 3％
45℃ 4％
60℃ 7％
在补偿激活的情况下，根据本发明的超声测量单元的体积流量测量结果与利用Coriolis传感器的体积流量测量结果几乎相同。
对于2500ml/min的体积流量，相对偏差(补偿激活)为：
示例5
使用根据示例4的设置。在本示例中，流量补偿是根据在非常短的时间内连续发生的水温变化来测量的。水的温度在几分钟内从23℃变为60℃。如在示例4中，在激活和禁用的Geo因子校正的同时记录体积流量测量结果。Coriolis传感器作为参考测量同时运行。随着水温的升高，使用禁用的Geo因子校正的超声传感器的流量测量结果与由Coriolis传感器测得的体积流量相比差异增加，而使用激活的Geo因子校正的流量测量结果与由Coriolis传感器测得的体积流量相比几乎相同。随着温度的升高，在超声传感器的禁用的Geo因子校正的情况下的体积流量测量结果与利用Coriolis传感器测得的体积流量相比偏差增大。即使在介质温度达到60℃的目标值之后，偏差也会增加，因为嵌体温度会继续变化，直到最终达到平衡。使用激活的Geo因子校正，超声传感器测得的体积流量值与Coriolis传感器测得的体积流量值的最大偏差在整个时间范围内明显<1％。
测量结果在图7中示出，图7示出了体积流量与时间的关系，所述体积流量使用以下方式测得：
·Coriolis流量传感器，
·根据本发明的具有激活的Geo因子校正(激活的补偿)的装置；以及
·根据本发明的具有禁用的Geo因子校正(去激活的补偿)的装置。
附图标记列表
1-9 路径
11 第一超声换能器
12 第二超声换能器
13 第三超声换能器
14 第四超声换能器
15 第五超声换能器
16 第六超声换能器
17 第七超声换能器
18 第八超声换能器
20 管
21、22 管壁
30 第一嵌体区域
40 第二嵌体区域
70 中央凹部的第一侧
80 中央凹部的第二侧
90 第一超声断续器区域
91 第二超声断续器区域
100 超声测量单元
l 声波在管的内壁之间行进的距离
din 内管壁之间的距离。

Claims (20)

1.一种用于测量在管(20)中流动的流体的体积流量的超声测量单元(100)，包括：
●具有纵向延伸部的连续的中央凹部，使得所述中央凹部能够接收流体承载管(20)；
●至少六个超声换能器(11-18)；
●至少两个嵌体区域(30、40)；
●可选地，至少两个超声断续器区域(90、91)；
至少第一超声换能器(11)和第二超声换能器(12)定位在所述中央凹部的第一侧(70)上，至少第三超声换能器(13)和第四超声换能器(14)定位在所述中央凹部的第二侧(80)上，所述中央凹部的第一侧和第二侧彼此相对；
所述第一超声换能器(11)和所述第二超声换能器(12)以使得所述第一超声换能器和/或所述第二超声换能器能够向所述第三超声换能器(13)和/或所述第四超声换能器(14)发射倾斜于所述管(20)中的流体的流动方向的测量信号并且能够接收由所述第三超声换能器和/或第四超声换能器发射的倾斜于所述管(20)中的流体的流动的测量信号的方式布置；
在所述流体承载管(20)与所述超声测量单元(100)之间没有超声耦合凝胶或油脂；
其特征在于，
第一嵌体区域(30)以使得由所述第一超声换能器(11)和/或所述第二超声换能器(12)接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第一嵌体区域(30)的方式在所述中央凹部的第一侧(70)上定位于所述中央凹部与所述第一超声换能器(11)和所述第二超声换能器(12)之间；
第二嵌体区域(40)以使得由所述第三超声换能器(13)和/或所述第四超声换能器(14)接收或发射的超声信号至少部分地穿过所述第二嵌体区域(40)的方式在所述中央凹部的第二侧(80)上定位于所述中央凹部与所述第三超声换能器(13)和所述第四超声换能器(14)之间；
所述第五超声换能器(15)定位在所述中央凹部的第一侧(70)上，其中，所述第一嵌体区域(30)位于所述第五超声换能器(15)与所述中央凹部之间；
所述第六超声换能器(16)定位在所述中央凹部的第二侧(80)上，其中，所述第二嵌体区域(40)位于所述第六超声换能器(16)与所述中央凹部之间；
所述第五超声换能器(15)和所述第六超声换能器(16)平行于所述中央凹部定位并且彼此相对；
所述第五超声换能器(15)和所述第六超声换能器(16)具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围和6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围；以及
所述超声测量单元(100)被配置成能够测量所述第一嵌体区域(30)和/或所述第二嵌体区域(40)内部的超声信号的传播时间。
2.根据权利要求1所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述第一超声换能器(11)和所述第二超声换能器(12)与所述中央凹部成角度δ'布置，使得所述第一超声换能器(11)能够发射测量信号，所述测量信号在所述第一嵌体区域(30)与管壁(21)之间的界面以及所述管壁(21)与所述管(20)中的流体之间的界面上反射，所述反射信号由所述第二超声换能器(12)接收；
和/或
所述第二超声换能器(12)能够发射测量信号，所述测量信号在所述第一嵌入区域(30)与管壁(21)之间的界面以及所述管壁(21)与所述管(20)中的流体之间的界面上反射，所述反射信号由所述第一超声换能器(11)接收；
和/或
所述第三超声换能器(13)和所述第四超声换能器(14)与所述中央凹部成角度δ'布置，使得所述第三超声换能器(13)能够发射测量信号，所述测量信号在所述第二嵌体区域(40)与管壁(22)之间的界面以及在所述管壁(22)与所述管(20)中的流体之间的界面上反射，所述反射信号由所述第四超声换能器(14)接收；
和/或
所述第四超声换能器(14)能够发射测量信号，所述测量信号在所述第二嵌体区域(40)与管壁(22)之间的界面以及在所述管壁(22)与所述管(20)中的流体之间的界面上反射，其中，所述反射信号由所述第三超声换能器(13)接收。
3.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述第一至第四超声换能器(11-14)与所述中央凹部成角度δ'布置，δ'在55°至75°之间、优选地在60°至70°之间、最优选地为65°。
4.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述第五超声换能器(15)与所述中央凹部之间的所述第一嵌体区域(30)的膨胀量在4mm与12mm之间、优选地在4mm与8mm之间、更优选地在5mm与6mm之间，所述第六超声换能器(16)与所述中央凹部之间的第二嵌体区域(40)的膨胀量与之相等。
5.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声测量单元包括至少一个超声断续器区域(90、91)，所述超声断续器区域(90、91)或者在所述中央凹部的第一侧(70)上定位于所述第一超声换能器(11)与所述第二超声换能器(12)之间，或者在所述中央凹部的第二侧(80)上定位于所述第三超声换能器(13)与所述第四超声换能器(14)之间；所述断续器区域(90、91)以使得由所述第一超声波发射器(11)或所述第二超声发射器(12)发射并且在所述第一嵌体区域(30)与所述中央凹部中的管壁(21)之间的界面上反射的超声信号在没有被断续器区域(90)衰减的情况下传播到所述第二换能器(12)或第一换能器(13)的方式布置，或者以使得由所述第三超声发射器(13)或所述第四超声发射器(14)发射并且在所述第二嵌体区域(40)与所述中央凹部中的管壁(22)之间的界面上反射的超声信号在没有被断续器区域(91)衰减的情况下传播到所述第四换能器(14)或第三换能器(13)的方式布置。
6.根据权利要求5所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声测量单元(100)包括两个超声断续器区域(90、91)，第一超声断续器区域(90)在所述中央凹部的第一侧(70)上定位于所述第一超声换能器(11)与所述第二超声换能器(12)之间，第二超声断续器区域(91)在所述中央凹部的第二侧(80)上定位于所述第三超声换能器(13)与所述第四超声换能器(14)之间；
所述第一断续器区域(90)以使得由所述第一超声发射器(11)或所述第二超声发射器(12)发射并且在所述第一嵌体区域(30)与所述中央凹部中的管壁(21)之间的界面上反射的超声信号在没有被所述第一断续器区域(90)衰减的情况下传播到所述第二换能器(12)或所述第一换能器(11)的方式布置；以及
所述第二断续器区域(91)以使得由所述第三超声发射器(13)或所述第四超声发射器(14)发射并且在所述第二嵌体区域(40)与所述中央凹部中的管壁(22)之间的界面上反射的超声信号在没有被所述第二断续器区域(91)衰减的情况下传播到所述第四换能器(14)或所述第三换能器(13)的方式布置。
7.根据权利要求5或6所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述至少一个超声断续器区域(90、91)包括从包含空气、软木和金属的组中选择的材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声测量单元(100)进一步包括第七超声换能器(17)和/或第八超声换能器(18)，
所述第七超声换能器(17)定位在所述中央凹部的第一侧(70)上，所述第一嵌体区域(30)位于所述第七超声换能器(17)与所述中央凹部之间；以及
所述第八超声换能器(18)定位在所述中央凹部的第二侧(80)上，所述第二嵌体区域(40)位于所述第八超声换能器(18)与所述中央凹部之间；以及
所述第七超声换能器(17)和所述第八超声换能器(18)具有在0.5MHz至5MHz之间的固有谐振频率范围以及6.5*106Ns/m3-30*106Ns/m3的阻抗范围。
9.根据权利要求8所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声测量单元(100)进一步包括第七超声换能器(17)和第八超声换能器(18)，其中，所述第七超声换能器(17)和所述第八超声换能器(18)平行于所述中央凹部定位并且彼此相对。
10.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声测量单元(100)进一步包括至少一个温度传感器。
11.根据权利要求10所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述温度传感器选自包括PT100、PT1000和热电偶的组。
12.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，耦合垫位于所述流体承载管与所述第一嵌体区域之间以及所述流体承载管(20)与所述第二嵌体区域(40)之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述超声换能器(11-18)发射具有2MHz至4MHz的频率的脉冲信号。
14.根据前述权利要求中任一项所述的超声测量单元(100)，其特征在于，所述至少两个嵌体区域(30、40)包括包含ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-共聚物)、PEEK(聚醚醚酮)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)的组中的材料。
15.一种用于确定根据权利要求1至14中任一项所述的超声测量单元(100)的特征参数的方法，其特征在于，流体承载管(20)位于所述超声测量单元(100)中，所述方法包括以下步骤：
●测量所述超声信号在所述第一嵌体区域(30)与所述相邻管壁(21)的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域(30)的所述管壁(21)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
●计算所述第一嵌体区域(30)中的声速1cinlay、垂直传播穿过所述第一嵌体区域(30)的超声信号的传播时间t2和垂直传播穿过邻近所述第一嵌体区域(30)的所述管壁(21)的超声信号的传播时间t4；
●测量所述超声信号在所述第二嵌体区域(40)与所述相邻管壁(22)的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域(40)的所述管壁(22)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间；
●计算所述第二嵌体区域(40)中的声速2cinlay、垂直传播穿过所述第二嵌体区域(40)的超声信号的传播时间t3和垂直传播穿过邻近所述第二嵌体区域(40)的所述管壁(22)的超声信号的传播时间t5；
●测量垂直传播穿过所述第一嵌体区域(30)、邻近所述第一嵌体区域(30)的所述管壁(21)、所述管(20)中的流体、邻近所述第二嵌体区域(40)的所述管壁(22)和所述第二嵌体区域(40)的超声信号的传播时间t1；
●计算垂直传播穿过所述管(20)中的流体的超声信号的传播时间
t6＝t1-t2-t3-t4-t5；
●计算所述流体中的声速cfl和/或声波进入所述流体的进入角β。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算超声信号进入所述管(20)内部的所述流体的入射角β'的步骤。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
●测量由所述第一超声换能器(11)发射的超声信号穿过所述管(20)中的流体传播到所述第四超声换能器(14)的传播时间tFWD 1→4和由所述第四超声换能器(14)发射的超声信号穿过所述管(20)中的流体传播到所述第一超声换能器(11)的传播时间tBWD 4→1和/或由所述第二超声换能器(12)发射的超声信号穿过所述管(20)中的流体传播到所述第三超声换能器(13)的传播时间tFWD 2→3和由所述第三超声换能器(13)发射的超声信号穿过所述管(20)中的流体传播到所述第二超声换能器(12)的传播时间tBWD 3→2；
●计算所述管(20)中的流体的体积流量Q。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述超声信号在所述第一嵌体区域(30)与所述相邻管壁(21)的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域(30)的所述管壁(21)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间由平行于所述中央凹部的超声换能器测量；以及
所述超声信号在所述第二嵌体区域(40)与所述相邻管壁(22)的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域(40)的所述管壁(22)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间由平行于所述中央凹部的另一超声换能器测量，其中，平行于所述中央凹部的超声换能器和平行于所述中央凹部的另一超声换能器优选地是所述第五超声换能器和所述第六超声换能器。
19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述第一超声换能器(11)和所述第二超声换能器(12)来测量所述超声信号在所述第一嵌体区域(30)与所述相邻管壁(21)的界面上的反射以及在邻近所述第一嵌体区域(30)的所述管壁(21)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间，使用所述第三超声换能器(13)和所述第四超声换能器(14)来测量所述超声信号在所述第二嵌体区域(40)与所述相邻管壁(22)的界面上的反射以及在邻近所述第二嵌体区域(40)的所述管壁(22)的内表面与所述管(20)中的流体的界面上的反射以及相关的传播时间。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
●测量所述管(20)中的流体的温度。
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