CN1232803C - 超声流量计的测量头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由超声耦合元件(40)和测量头外壳(10)组成的超声流量计测量头，超声耦合元件(40)和测量头外壳(10)被铸在一起，它们和铸材(50)一起形成接触表面E，接触表面E使得热量能够有效地传递到测量头上。为了补偿制造公差，在接触表面(E)的区域中，测量头外壳(10)和超声耦合元件(40)之间的间隔(a)至少为1mm。

Description

超声流量计的测量头
本发明涉及超声流量计的耦合元件。
超声流量计通常用于处理技术或自动控制技术中。使用它们能够以简单的形式对管道中的容积流量进行无接触测量。
已知的超声流量计根据多普勒原理或传播时间差原理来运行。
在传播时间差原理中，相对于液体的流动方向来估计超声脉冲的不同传播时间。
超声脉冲同时在流动方向和流动的相反方向传播。根据传播时间差可以确定出流速，然后根据已知的管道截面直径可以确定出容积流量。
在多普勒原理中，具有已知频率的超声波与液体耦合在一起，并且评估从液体反射回来的超声波。利用耦合波和反射波之间的频移可以同样得到液体的流速。
但是只有在液体中存在小空气泡或杂质时才能在液体中发生反射，所以只有在含杂质的液体中才能使用这个原理。
在测量头中产生并且接收超声波。特殊的测量头固定在管道想要测量部分的壁上。最近已经可以使用夹卡式超声测量系统。在这些系统中，只是通过一个夹卡件将测量头压紧在管壁上。在诸如EP-B686,255、美国专利4,484,478和4,598,593中对这样的系统有描述。
测量头的基本元件是测量头外壳、具有连接单元的压电元件和由塑料制成的超声耦合元件。在压电元件中产生的超声波通过超声耦合元件被引导进入管壁。它们从管壁再传导进入液体。
在已知的测量头中，超声耦合元件都略微伸出测量头外壳，从而只有超声耦合元件接触测量管道。由于超声耦合元件具有较低的热传导率，只可能有少部分热量从管壁传导到测量头。所以测量头中的温度梯度会增加，而温度梯度对测量精度有负面影响。
已知的测量头还有另外一个缺点，即测量头外壳和超声耦合元件是粘结在一起的。这样在制造测量头外壳时只允许非常小的公差。因此具有更大公差的铸件则需要较昂贵的精加工操作。
本发明的一个目的是提供一种超声流量计的测量头，这种测量头没有上述的缺点，能够在测量头中快速形成均匀的温度分布，并且在制造测量头外壳时允许制造公差，从而能够以适宜的成本简单地制造它。
本发明的目的通过具有下述特征的超声流量计测量头来实现，流量计的测量头具有部分敞开的测量头外壳，外壳中固定着具有压电元件和连接单元的超声耦合元件，其特征在于将超声耦合元件和测量头外壳铸在一起或密闭在一起并且将它们和铸材或填充材料一起形成了接触面，其中在接触表面区域的测量头外壳和超声耦合元件之间的间隔至少为1mm。
本发明最本质的地方是将它们铸造在一起能够补偿测量头外壳的制造公差，以及通过把测量头的整个接触表面同时放在测量管道上能够达到有效的热平衡。
为了简单，接触表面是平的。
在本发明的进一步发展中，为了节约成本，测量头外壳不完全充满铸材。
为了利用铸材实现耦合元件在测量头外壳中的可靠固定，在测量头外壳上设有固定元件(如凸耳或凹槽)。
为了实现快速的热平衡，铸材具有＞1W/mK的热传导率是有益的。
现在将根据附图更详细地解释本发明，其中附图包括：
图1是具有两个测量头的超声流量计的示意图；
图2是图1测量头的横截面视图。
图1以非常简化的形式示出了具有两个测量头2、3的超声流量计，这两个流量计放置在管道1的外壁上，并且在平行于轴线的方向上它们彼此分开。液体在箭头F的方向上在管道1内流动。
可以用两种不同的方法驱动这对测量头2、3。一种方法是测量头2作为发射器而测量头3作为接收器，另一种方法是测量头3作为发射器而测量头2作为接收器，这样就可以在流动方向和与流动方向相反的方向上交替进行测量。
两个测量头2、3分别通过连接线23、33连接测量电路100。两条连接线22、23携带电脉冲。适宜的测量电路100是已知的，测量电路不是本发明的主题。
图2以大致按比例的形式示出了图1测量头的横截面视图。测量头2、3最本质的元件是测量头外壳10、具有连接单元30的压电元件20和塑料(如PEEK、PI、PEI等)制成的超声耦合元件40以及铸材50。连接单元30由柔软的双股电缆32和连接连接线23或33的插塞连接器34组成。测量头外壳具有通向其内部12的开口14，超声耦合元件40固定在外壳内部。
超声耦合元件40、测量头外壳10和铸材50在开口14的区域形成了接触表面E。
在接触表面E的区域，超声耦合元件40和测量头外壳10的内壁16之间的距离至少为1mm。
为了帮助固定，在测量头外壳10上设有固定元件80。示出的固定元件是凹槽，但是也可以使用其它的固定元件，如凸耳等。
测量头2、3的适宜测温范围在-20℃到+80℃之间。
现在将更详细地描述对本发明超声流量计的测量头的操作。
在使用中，测量头2、3的整个接触表面E放在管道1的外壁上。所测量的液体的温度变化导致管道1外壁的温度变化。温度变化传递到测量头2、3上。由于来自管道1的热量传递发生在整个接触表面E上，能够很快形成温度平衡。热量不仅从管道1传递到超声耦合元件40上，热量还从管道1传递到铸材50和测量头外壳10上。由于铸材50和测量头外壳10(通常由金属制成)具有很好的热传导性，温度梯度可以很快被抹平。这就保证了可靠的测量。
由于超声耦合元件40和测量头外壳10被铸在一起，能够很容易补偿制造测量头外壳10的制造公差。接触表面E主要起到这个补偿作用。已经发现在接触面E区域测量头外壳10和超声耦合元件40之间保持1mm的间隔足以补偿可能的制造公差。
很显然由于成本的原因不必让铸材50填满整个内部12。即使只进行部分铸造也能保证超声耦合元件40的可靠固定。
在铸造过程中，铸材50进入凹槽80中，随后将其固化，这能够防止超声耦合元件40从测量头外壳10中脱离出来。
铸材50的高传导率起到增强热平衡的作用。

Claims (7)

1.超声流量计的测量头具有部分敞开的测量头外壳(10)，测量头外壳中固定着具有连接单元(30)的压电元件(20)和塑料制成的超声耦合元件(40)，其特征在于将超声耦合元件(40)和测量头外壳(10)铸在一起并且它们和铸材(50)一起形成了接触表面(E)，其中在接触表面(E)区域的测量头外壳(10)和超声耦合元件(40)之间的间隔至少为1mm。
2.如权利要求1所述的测量头，其特征在于铸材(50)的热传导率至少是1W/mK。
3.如权利要求1所述的测量头，其特征在于接触表面(E)是平的。
4.如权利要求1-3中任何一项权利要求所述的测量头，其特征在于测量头外壳(10)中不完全充满铸材(50)。
5.如权利要求1所述的测量头，其特征在于在测量头外壳(10)上设有固定元件(80)。
6.如权利要求5所述的测量头，其特征在于固定元件(80)是凹槽。
7.如权利要求5所述的测量头，其特征在于固定元件(80)是凸耳。
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