CN1623081A - 流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量计，它包括一液体或气体媒质可流过的测量管(1)以及至少两个超声转换器(6，7)，后者与一交变频率发生器和接收器电路(12)连接并与媒质接触。该超声转换器(6，7)由一扁平压电元件组成，该元件配有两电隔离的、梳状的叉指转换器的穿插电极，诸电极限定图中所示的方位并以梳状相互结合。所述电极只设置在所述压电元件两表面之一上。一转换器支座制成柔性的薄膜形式。该转换器支座可同时用作为压电元件。

Description

流量计

本发明的领域

本发明涉及一种液体或气体介质或媒质的流量计，以及涉及一种适合于此目的的超声转换器。

这种流量计利用超声波测量流过一管子的媒质的流速并可确定参考值。

本发明的背景

德国专利DE 30 20 282 A1揭示了一种带有测量管的超声流量计，在该超声流量计中，要测量的流体可流过并具有作为超声波发生器的叉指转换器。该叉指转换器是由陶瓷压电材料制成的扁平部件，该扁平部件的一侧上具有两个传送交变电压和叉指结构的电极。这种电极就像两把具有可互相穿插的齿但又互不接触的梳子。该扁平部件的另一侧，即朝向媒质的那一侧由一占据整个表面的质量量电极(mass electrode)组成。

当相对180°的相位角的两相等频率f的交变电压被施加到一侧的两电极上以及另一侧的质量电极上时，由叉指结构覆盖的压电材料区域被激发成厚度(层)的振荡，使得超声波经以与质量量电极成直角度辐射过质量量电极。该辐射角度决取于交变电流的频率f以及叉指结构的周期性。

英国专利GB 21 67 857 A单单建议使用PVDF作为流量计中的超声波发生器的压电材料。

德国专利DE 36 33 306 C2揭示了一超声波发生器，它是以三文治形式叠置在彼此顶部的两叉指状转换器的组合。其中一叉指状转换器用作一超声波传送器，并使用陶瓷制成压电材料，如DE 30 20 282 A1所公开的叉指转换器，而另一叉指转换器用作一接收器并配有一由PVDF代替压电材料制成的板。

传送器的电极与接收器的辅助电极在结构和大小上是相同的且彼此精确地对齐，两叉指转换器就像三文治一样一个叠置于另一个的顶部，以致带有质量电极的传送器的侧边面向叉指转换器的PVDF辅助电极。叉指转换器的PVDF质量电极处于与媒质接触，以致超声波的发射或接收可通过叉指转换器的PVDF质量电极。当它们接收超声波时，可自辅助电极接收一电讯号。

大家都知道有各种超声流量计的构造模式。它们的不同之处主要在于超声波沿测量场传播的方向。除了平行于测量管的轴线(对角)声波传播(DE 29 24561 C2)以及斜线声波传播(GB 21 67 857 A)外，还有其他已知的传播路径，尤其是V形或W形传播(DE 39 41 544 A1)，或由多次反射获得(DE 43 36 370 C1)的螺旋形传播路径。

Rmpps化学字典(ISBN 3-440-04515-3)第3325页有这样的叙述：可耐很多化学品的、定向薄膜形式的聚氟乙烯(PVF)和聚偏氟乙烯(聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF))具有技术上可利用的压电特性。

超声波发射器被封装在一外壳中以保护它们免受媒质的作用，因而是很昂贵的。现有技术的流量计的制造成本也是昂贵的。虽然流量计没有运动部件，例如，当使用该技术测量热水或冷水的量时的优点是显而易见的，但这使超声流量计的适用范围实际限于遥控加热区段。

本发明的概述

本发明的目的是提供一种具有简化的超声转换器的合理价格的流量计以及一适用于该目的的超声转换器。

本发明的目的可利用如下技术方案或特征成功地得到解决。本发明的测量液体或气体媒质流量的流量计，它具有一测量管和至少两个连接至一交变频率发生器和接收器电路的超声转换器，所述转换器包括在一扁平压电元件的一侧上形成一叉指结构的电隔离的、梳状穿插的电极，所述压电元件由挠性材料制成，所述超声转换器安置在所述测量管内，其中，所述材料用作防止媒质对所述叉指结构的作用，所述压电元件的一侧朝向测量管的内表面。

带有一压电元件的超声转换器，其上设置有形成叉指结构的电极，其中，所述压电元件是挠性的，特别是由聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)或具有至少一定比例的这些材料的聚合物混合物制成的。

带有一压电元件的超声转换器，其上设置有形成叉指结构的电极，其中，提供一转换器支座，其上设置有所述压电元件和所述电极，该转换器支座是一挠性薄膜。

这些解决方案使对取代目前普遍使用的、廉价的旋转叶轮计的决定步骤成为可能。

本发明的基本概念是制作一种挠性型超声转换器，该超声转换器可引入测量管中，几乎不需要机械介入就可实现超声转换器引入。

在一简易形式的实施例中，一超声转换器只由一具有压电特性的挠性材料组成，其包括一叉指转换器且可固定在测量管内。较佳的材料是PVF或PVDF制成的薄膜。该薄膜形成一保护层，保护电极免于腐蚀，特别是适于在大约＜40°的温度下使用。通常使用的对电极则不是必需的。

该类型的超声转换器易于引入几乎任何形式的测量管内。主要是由于低的外形(low profile)，几乎根本不妨碍流体的流动。其制造惊人地简单，而且适合于自动化系列的生产，所谓自动化系列的生产指的是生产可提供具有良好的竞争价格并具有很高的经济价值。

下文将对其他的优点和细节进行描述。本发明的流量计和超声转换器原则上适用于所有的气体或液体媒质。

附图的简单叙述

本发明的实施例以下将结合附图予以详细描述，其中

图1所示为一流量计的纵向剖视图；

图2所示为一叉指转换器的平面视图；

图3所示为叉指转换器的横截面视图；

图4所示为两个叉指转换器的布置图；

图5所示为流量计的横截面视图；

图6所示为管状流量计的横截面视图；

图7所示为叉指转换器的斜向布置图；以及

图8所示为成对的叉指转换器的布置图。

较佳实施例的详细描述

在图1中，标号1表示一测量管，2，2’表示测量管1的内表面，3表示一测量管的轴线，4表示一超声波的反射镜，5表示一转换器支座，6和7表示超声转换器，8表示一管子，9表示一多极电缆，9a表示一钻孔，10a表示介质或媒质的流向。

图1中示出了使用例如一V形声波路径11在流量计D中建立起的测量。两个超声转换器6和7以预定的间距A设置在测量管1的内表面2的转换器支座5上，并且它们按媒质流动的方向10先后排列。

在一实施例中，转换器支座5在转换器的一侧上是平的，其另一侧与测量管1的内表面2紧密配合。一交变频率发生器和接收器电路12通过管子8引入的电缆9与超声转换器6，7连接，管子8被密封以防媒质渗漏。交变频率发生器12产生预定频率f的相移交变电压以起动超声转换器6，7。还可以用一设有导线路径(通路)的薄膜来代替电缆9。

第一超声转换器6可沿着例如相对于测量轴线3成发射角α的超声波路径11传送超声波，此超声波可从一反射面或从反射镜4上反射至与第二超声转换器7相对的内表面2’。超声波在超声转换器7中产生相互相移的接收信号，这些信号经由电缆9传导至接收器12。对于接下来的测量，超声转换器6，7可变换传递和接收的功能。

在另一实施例中，两超声转换器6，7同时传送超声波，然后，各自等待接收由另一超声转换器发射的声波。根据所接收的信号，交变频率发生器和接收器电路12计算沿测量管3的轴线流动的媒质，例如冷水和热水等的流速和量，并将与一规定的参考量成比例的脉冲发送至一计数器13。

转换器支座5可由例如一将超声转换器6，7安置在其上的薄膜组成，每个超声转换器是自主或独立的且与媒质隔离。然而，转换器支座5也可由一PVF或PVDF薄膜形成，以便超声转换器的功能可藉由一叉指状结构执行。

图2以举例的方式示出用于通常识别其操作的超声转换器6，7(见图1)的一压电元件14。该压电元件14是一由平行于其厚度极化的压电材料制成的基底，其上表面支承两电极15，16，两电极的毗邻边制成为一叉指结构15，16，17的指的形状。每个电极15，16的各指17被规则地隔开，以使电极15或16的各相邻指17以一定的间距d彼此隔开。一不含电极材料的弯曲条将两电极15，16，17隔离。

超声波是以平行于一垂直于压电元件14的表面的平面E的方向发射的，它们的相交线(图中以虚线表示)二等分各指17。声波路径11相对于垂直压电元件14表面的垂直线18按发射角α倾斜。根据公式cosα＝λ/d，由媒质中的超声波长λ和间距d可确定发射角α。

对于工作条件和其他的叉指结构15，16，17，请参照前述及德国专利DE 3020 282(第8页第11行至第10页第4行以及第12页第9至33行)。因此，对于在频率f≈1MHz下的冷水中的发射角α＝45°和波长λ≈1.45mm，则可得到间距d≈2.05mm。

在一方面在两电极15，16之间，另一方面在两电极和测量管1之间的频率f相等的两个180°相移交变电压的应用中，被叉指结构覆盖的压电元件14的各区受激成厚度的振荡，使得压电元件14的自由表面以发射角α将超声波辐射到媒质中。

与现有技术中所描述的叉指转换器对比，压电元件14远离叉指结构15，16，17的一侧上没有对电极(反电极)。这是因为，许多实验确立了当采用薄膜作为压电元件时，对电极是不必要的。

在图3中所示为一超声转换器的横截面视图。该图主要可适用于超声转换器6和7。该超声转换器6或7(看情况而定)最低限度包括压电元件14、带有若干指17的电极15，16(见图2)以及一可作为转换器支座的覆盖层19。覆盖层19覆盖带有叉指结构15，16，17的压电元件14的整个表面并保护电极15，16，17的材料、尤其是边缘区域免受媒质作用。覆盖层19和压电元件14形成一层状结构20。该超声转换器6和7的层状结构20使其覆盖层19的自由侧与内表面2紧密相配合。该覆盖层19最好用塑胶制成并通过模塑或注射模塑法加上。

在另一实施例中，压电元件14的电极侧加衬作为防止媒质作用的塑胶薄膜。此时，重要的是应使覆盖层19、压电元件材料14以及电缆9的护套之间紧密黏接，以致媒质不会在覆盖层19下面渗透到封闭的电极15，16，17上。对于压电元件14(除了已知的压电陶瓷外)，聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)或含有PVF和/或PVDF成份的混合聚合物制成的定向薄膜也是适用的。

在一简化的实施例中，仅在周边区域需要覆盖层19。这种覆盖层应用在测量管1和例如带有一塑胶的测量管的若干电极之间不需要绝缘的地方。当然，层状结构也可使其电极侧(带有覆盖层)朝向媒质。

在另一实施例中，也可使交变频率发生器和接收器电路12或其部件位于叉指结构15，16，17所占据区域外侧的压电元件14上以及在覆盖层19下面。

图4的平面视图所示的实施例表示一设置在测量管1(见图1)内侧表面2上的转换器支座5。此实施例中的转换器支座5为层状结构20(见图3)，图4中只显示了压电元件14。压电元件14以透明显示，使得安置该压电元件14上的交变频率发生器和接收器电路12和叉指结构15，16，17可通过该压电元件14予以区别。

诸叉指结构被安排在一起，在带状压电元件14上以间距A(见图1)隔开，间距A是在两超声转换器6和7的中心之间测得的距离。在一实施例中，两叉指结构15，16，17的电极15或16藉由各导线路径相互连接并与交变频率发生器和接收器电路12连接。在另一实施例中，四个电极15，16各自与交变频率发生器和接收器电路12连接。图4所显示的这些实施例中，第一个以带有电极15作为示例，第二个以带有电极16作为示例。

在一叉指结构的电极15和16与其他叉指结构的电极15，16通过压电元件14上的各导线路径直接连接的实施例中，超声波以±45°发射角同时在两超声转换器6，7中产生。

在V形声波路径11上的流体传播的超声波，在从反射镜4(见图1)反射后，到达第二超声转换器7，比沿上游向第一超声转换器6行进的超声波稍微早一些到达。每个电极15，16中得到的接收讯号是一超声转换器6，7中所产生的两讯号的重叠，因此由流体的位移效应引起的时间延迟包括一抵达超声转换器6，7的超声波中的相移。

交变频率发生器和接收器电路12产生必要的交变电压，利用电极15和16处的接收讯号中的相移来计算流速或贯通流量容积，并经由电缆9(见图3)将脉冲序列传送到测量管1外侧的计数器13，每一脉冲代表一预定的量。

在另一实施例中，超声转换器6，7分别与交变频率发生器和接收器电路12连接，后者决定了超声波是否自两超声转换器6，7同时或是顺序地传送。以同样的方法，来自两超声转换器6，7的接收讯号彼此单独地进行处理。

按照图4的实施例具有的优点是：只有测量管1外侧的元件可供电给交变频率发生器和接收器电路12和计数器13(见图1)，而交变频率发生器和接收器电路12的电子装置被封装在测量管1中。

在另一实施例中，电极15，16借助一双芯或四芯电缆9连接至交变频率发生器和接收器电路12，所述电缆则位于测量管1外侧。

图5以横截面视图方式示出了测量管1(见图1)的一可能实施例。测量管1由呈矩形截面的一盖件21和一槽形件22组成。该矩形截面测量管1的端部上改变成一圆形中空截面的管子23，图中未显示，以能使超声计量器结合到一管子中。包括压电元件14和覆盖层19的层状结构20(见图3)设置在盖件21的内表面2上(见图1)。

图5所示的实例包括覆盖层19，该覆盖层可以通过注射模塑法制成，例如，用一围绕电缆9的塞子8’作为管子8的一部分。该塞子8’穿过盖件的钻孔并轴向地拧入钻孔的管子8中。将一在管子下的密封(例如，一O形环(O-ring))8”紧压住塞子8’并紧压住盖件21中钻孔的壁，使得测量管1密封以防媒质渗漏。此时，将层状结构20保持在测量管1中。

在又一实施例中，层状结构20可通过例如螺钉或黏合剂固定在内表面2上。一形成密封件，例如一橡胶接头的工件密封住盖件21和槽形件22之间的缝隙，如图5的右侧所示。在图5的左侧，显示了保证密封的另一密封工件。

层状结构20伴随压电元件14的侧边藉由盖件21直接一起紧压住橡胶密封件。管子8、塞子8’以及电缆9的不渗漏入口点因此而变成多余的；这是一种有益的简化。声波路径11(见图1)呈V形，槽形件底内表面2’上的反射镜4可如图1纵向截面视图所示加以设置。

图6中，测量管1呈现曲面形的，特别是圆形的内表面2。由于由PVF或PVDF薄膜制成的压电元件14的挠性，可毫无困难地将层状表面20配置到内壁2的弯曲处上。检测结果表明，没有检测到声波发射的不良或不利作用。

众所周知，流过测量管1的截面的媒质具有流动图型(流型)。在内壁2处，流速几乎为零，而在理想的条件下，在测量管(见图1)的轴线3上可达到最大流速。为了精确测量，重要的是准确估计流型的流速，因为流型取决于流速。

上述的德国专利DE4336370涉及了这一问题并藉由专利文件中所建议的重复反射声波路径11(见图1)的装置执行此任务，可利用对角地设置的反射镜来使超声波转向。

根据图7具有方位角倾斜的叉指结构15，16，17的布置可使带有重复反射声波路径11(见图1)的流量计在成本可大大地减少。在压电元件14的平面中的声波路径11的一个分量是与把各指17连接成一体的电极15，16的部件平行，并在超声转换器6的图示中显示一方向标记24。对于压电元件14的平面上形成的测量管轴线3，方向标记24是按方位角β倾斜。

第一超声转换器6或7(见图1)的超声波(可按实际情况而定)首先被反射离开槽形件22的侧壁25(见图5)，并由此转向至内表面2’上的反射镜4上(见图5)，并且再被反射。离开反射镜4进一步反射的声波路径11通向槽22的另一侧壁26(见图5)上的另一超声转换器7或6。在第二超声转换器的图中所示的方向(未显示在图7中)是平行于第一超声转换器6的方向标记24定向，并设置在带状压电元件14的另一端上。

对于横截面较大的测量管1，这有利于使用两条平行的螺旋状声波路径11，以确保声波良好发射通过测量管1。图8表示压电元件14上由超声转换器6，6’形成的第一对电极15，16(见图7)的可能布置。超声转换器6，6’各自的方向标记24和27包括一2β的角度，此中，β为方位角，所作的测量管轴线3则二等分角2β。

未显示在图8中的第二对超声转换器7(见图4)设置在压电元件14的另一端上，它与第一对超声转换器6，6’的电极15，16，17的结构和布置相同，但第二对在压电元件14的平面上相对于第一对6，6’转过180°。

为完整起见，应该意识到，交叉指形结构应最好由真空镀膜或层压电极材料组成，通过蚀刻获得最后的形状。电极材料还可通过模板印刷(stenciling)来加上。

该流量计的另一优点是电极不会与媒质反应或与媒质中的悬浮物质量反应而被腐蚀。

Claims (17)

1.测量液体或气体媒质流量的流量计，它具有一测量管(1)和至少两个连接至一交变频率发生器和接收器电路(12)的超声转换器(6，6’，7)，所述转换器包括在一扁平压电元件(14)的一侧上形成一叉指结构的电隔离的、梳状穿插的电极(15，16)，其特征在于，所述压电元件(14)由挠性材料制成，所述超声转换器(6，6’，7)安置在所述测量管(1)内。

2.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述压电元件(14)的材料为聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)或至少具有一定比例PVF或PVDF的聚合物混合物。

3.如权利要求1或2所述的流量计，其特征在于，所述材料是薄膜形式的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的流量计，其特征在于，所述超声转换器(6，6’，7)包括一共用的压电元件(14)。

5.如权利要求4所述的流量计，其特征在于，所述交变频率发生器和接收器电路或其部件被安置在所述叉指结构外的压电元件的表面上。

6.如权利要求1至5中任一项所述的流量计，其特征在于，所述材料可用作防止媒质对叉指结构的作用，所述压电元件(14)的一侧转向或朝向测量管(1)的内表面(2，2’)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的流量计，其特征在于，所述叉指结构(15，16，17)由一保护性覆盖层(19)加以覆盖，所述压电元件(14)与所述叉指结构(15，16，17)和覆盖层(19)组合而形成一层状结构。

8.如权利要求7所述的流量计，其特征在于，所述层状结构(20)安置在一转换器支座(5)上。

9.如权利要求1至8中任一项所述的流量计，其特征在于，所述测量管(1)的至少一内表面(2’)上设有一反射表面(4)以使超声波转变方向。

10.如权利要求1至9中任一项所述的流量计，其特征在于，所述超声转换器(6，6’，7)具有垂直于其叉指结构(15，16，17)的各指(17)的方向定位标记(24，27)，所述方向定位标记和测量管(1)的轴线(3)平行。

11.如权利要求1至9中任一项所述的流量计，其特征在于，所述超声转换器(6，6’，7)具有垂直于其叉指结构(15，16，17)的各指(17)的方向定位标记(24，27)，所述方向定位标记彼此平行并与测量管(1)的轴线(3)成一定角度。

12.如权利要求1至9中任一项所述的流量计，其特征在于，所述两彼此靠近的超声转换器(6，6’)作为一对并具有垂直于其叉指结构(15，16，17)的各指(17)的方向定位标记(24，27)，所述方向定位标记包括一角2β，该角2β的角平分线和测量管(1)的轴线(3)平行。

13.如权利要求1至12中任一项所述的流量计，其特征在于，所述测量管(1)设有一钻孔(9a)，通过该钻孔，可把电缆(9)或所述超声转换器(6，7)和/或所述交变频率发生器和接收器电路(12)用的连接导线引过。

14.如权利要求1至13中任一项所述的流量计，其特征在于，所述层状结构(20)保持在所述测量管(1)、尤其是矩形截面的测量管的槽形件和盖件之间，所述压电元件(14)的自由侧紧压住围绕所述槽形件(22)边缘的橡胶密封件。

15.带有一压电元件(14)的超声转换器，其上设置有形成叉指结构的电极(15，16)，其特征在于，所述压电元件(14)是挠性的，特别是由聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)或具有至少一定比例的这些材料的聚合物混合物制成的。

16.带有一压电元件(14)的超声转换器，其上设置有形成叉指结构的电极(15，16)，其特征在于，提供一转换器支座，其上设置有所述压电元件(14)和所述电极(15，16)，该转换器支座(5)是一挠性薄膜。

17.如权利要求16所述的流量计，其特征在于，所述转换器支座(5)由聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)或具有至少一定比例PVF或PVDF的聚合物混合物制成。

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