CN1711461A - 流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有至少两个超声波换能器(2、3)的流量计(1)，超声波换能器安装在介质(9)沿流动方向(S)流过的容器(7)上，其中超声波换能器(2、3)沿着流动方向(S)和逆着流动方向(S)交替地发射和接收超声波测量信号，并且控制/分析单元(6)根据沿着流动方向(S)和逆着流动方向(S)传播的超声波测量信号的行程时间差确定和/或监测在容器(7)中的介质(9)的体积流量。根据本发明超声波换能器(2、3)如此构成，使得它们发射和接收具有大孔径角(γ)或具有大的声束扩张的超声波测量信号或者声场。

Description

流量计

技术领域

本发明涉及一种流量计，其具有至少两个超声波换能器和一个控制/分析单元。两个超声波换能器安装于介质沿流动方向流过的容器上。根据沿着流动方向和逆着流动方向传播的测量信号的行程时间差，控制/分析单元计算出容器中的介质的体积流量。

背景技术

通过所谓的行程时间差方法的前述类型的超声波流量计已经被广泛地用于过程技术和自动控制技术中。流量计能够不接触地确定在诸如导管中的容器中的体积流量。

在导管中使用的超声波流量测量接收器和夹紧流量计之间是不同的，其中在夹紧流量计中超声波换能器通过夹紧连接被从外面压在导管上。例如在EP 0 686 255 B1、US-PS 4,484,478或者US-PS 4,598,593描述的夹紧流量计。

在两种超声波流量测量计中，在存在介质的容器中以设定的角度发射超声波测量信号。对于超声波流量测量接收器，在测量管上超声波换能器的各个位置是依赖于测量管的内径和介质的声速的。因为测量管的内径在制造中是已知的，根据应用情况，其余介质的音速仅作为近似方式的已知参数。

对于夹紧流量测量计，还要补充导管的壁厚和导管材料的音速作为其他的应用参数，其存在相对较大的误差。

根据应用情况，在夹紧流量测量计中存在其他的误差源。在夹紧流量测量计中使用的超声波换能器具有耦合键(Koppelkeil)和至少一个能产生超声波测量信号的压电元件。该耦合键通常由塑料制成并且一方面用于阻抗调整另一方面用作压电元件的保护。

在压电元件中产生的超声波测量信号将通过耦合键或者传输体和管壁在流动的介质中传导。因为在流体中的音速和在塑料中互相不同，在从一种介质到另一种介质传输中超声波被中断。计算角度本身根据光反射定律确定，也就是说计算角度依据两种介质的传播音速的关系。

利用由塑料制成的耦合键或者传输体获得好的阻抗调整；当然塑料的音速示出相当强的温度关系。一般塑料的音速从在25℃的大约2500m/s变化为在130℃ 2200m/s。另外在耦合键的塑料中超声波测量信号的行程时间由于温度而产生改变，所以在流动介质中超声波测量信号的传播方向改变。因此在根据行程时间差方法工作的超声波流量测量计中两种变化对测量精确性产生很大影响。

在已知的流量计中预先设定超声波换能器的角度位置。为了在首次装配或者在以后应用改变的情况下基于前面所述要求，互相限定地调整两个超声波换能器的距离。此外在此期间通常两个超声波换能器中的一个相对另一个移动，直到接收到超声波的测量信号最大强度的位置被计算出来。然后计算在“试验/错误”路径上的两个超声波的最佳距离，两个超声波换能器牢固地在计算的位置锁定在管壁上。该过程当然是相当费时的。

另外，一些参数，特别是在夹紧流量测量计中用于精确确定体积流量所必需的参数，在很少的情况下是精确地知道；或者这些参数的计算相当贵。虽然导管的外径的确定已经不是问题，但导管壁厚的计算完全是有问题的。此外在很多情况下导管材料的音速和介质的音速也不会精确地确定。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种装置，用于高精度地确定和/或监测在容器中的体积流量。

本发明的目的如此实现，构成超声波换能器，使得它们能发射和接收具有大孔径角的测量信号或者声场。根据空间转动的辐射或者接收特性，超声波测量信号在宽的角度范围辐射或者从宽的角度范围接收。简言之，存在限定的期望声束扩张。因此，超声波换能器的安装位置将不受导管的直径和在导管中流动介质的音速影响。

一般来说，根据本发明装置的优选的结构，两个超声波换能器以确定的距离互相设置，其中两个超声波换能器的距离仅依赖于测量信号或者声场的孔径角；两个超声波换能器的距离完全不受其他系统或者过程参数的影响。这种用于高精度的重要系统参数和过程参数(如在前面已经提及的)涉及介质的音速、管材料的音速、导管的壁厚或者导管的内径。

优选地流量计是一种夹紧流量计。

为了确定和/或监测导管中的介质的体积流量而使用的声音路径(沿流动方向和逆着流动方向)是通过在导管上超声波换能器的位置而不是通过超声波换能器的发射方向而预先设定的。因此根据本发明的夹紧流量计的首次装配相对于现有技术已知的使用方案当然是特别简单的。因此一旦发生了过程或系统改变，在已知解决方案中必须的重调在所有情况下都是多余的。

根据本发明装置的一种特别低廉的结构在于，在超声波换能器中使用的压电元件是一种盘形压电元件。例如盘形压电元件具有本征的孔径角γ，其通过下列数学公式确定：sin(γ)＝1.22λ/D，其中入表示在介质中超声波测量信号的波长并且D表示圆盘形压电元件的直径。因此例如通过压电元件的直径可以得到期望的声束扩张。因此通过使用有关声音散播透镜，取得另外的或者备选的散焦和声束扩张。或者能够使用有关声音透镜，其中必须注意，超声波测量信号不在导管中透镜的焦点上发射或者在导管外被接收。

根据具有宽的射出或者接收特性的超声波换能器的优选的另一种结构，设有作为发射元件和/或接收元件的多个压电元件，其中发射元件和/或接收元件设置成一个阵列。每个期望的射出特性或者接收特性或者声束扩张通过单独的压电元件的相应电子控制实现。特别是控制/分析单元在该阵列中控制压电元件，因此最后实现每个期望的声束扩张。这样作为相位-压电-阵列的阵列通过购买得到并且用在医学技术和材料检查中。

根据本发明装置的优选的进一步结构，两个超声波换能器的最小距离如此布置，使得由两个超声波换能器交替地发射和接收的超声波测量信号通过各自至少一个声音路径在介质流过的容器中传播。

根据本发明的装置的较大的优点在于，两个超声波换能器的相对位置在夹紧流量计制造的时候已经预先固定地设定。因为该仪器仅仅被固定在导管上，所以一直必需的调整和相对贵的装配辅助是不需要的。因此这是第一次可能的，没有专门电子专业知识的装配工能够使根据本发明的夹紧流量计运行。因此节省了时间和金钱。

为了达到提高程度的测量安全性，根据本发明的有利的结构在于，两个超声波换能器的最小距离和测量信号或者声场的孔径角如此设置，以便测量信号至少通过横渡数目不同的两个声音路径传播。一个“横渡”定义了声音路径的分区，在其上面测量信号贯穿容器一次。

此外前述的实施例提供另外最大的有利可能性。在预设的位置已经提示，根据应用情况，计算每个单独的过程参数和系统参数是困难的。应该考虑，通常在计算中使用估计值——一种方法，不必需测量相当高价值的测量结果。或者以昂贵类型和方式计算应用参数或者过程参数和系统参数。

对于该问题根据本发明装置的实施例提供一种非常可靠和简单的解决方案：控制/分析单元根据在介质穿过的容器中沿流动方向和逆着流动方向在至少两个不同声音路径上传播的超声波测量信号的行程时间至少计算出用于确定在容器中介质的体积流量所需的系统参数和过程参数之一。

附图说明

根据下列附图详细地说明本发明，其中：

图1示出根据本发明装置的优选实施例的示意图；以及

图2示出曲线图，其描述图1中的超声波测量信号的振幅与行程时间的关系。

具体实施方式

图1示出根据本发明超声波流量计1的优选实施例的示意图。测量器1在示出的情况下是夹紧流量计。测量器1根据已知的行程时间差的方法计算在管7中介质9的体积流量。

夹紧超声波流量计1的基本组件是两个超声波换能器2、3和控制/分析单元6。这两个超声波换能器2、3通过在图1中没有分开示出的固定装置安装在管7上。从现有技术中可充分知道固定装置并且可以由申请人提供和销售。具有内径di的管7被介质9沿流动方向S流过。

超声波换能器2；3具有至少一个压电元件4、5和耦合键作为基本构件，其中压电元件4、5产生和/或接收超声波测量信号。超声波测量信号将通过耦合键输入介质9流过的管7或者从管7中输出。

两个超声波换能器2、3如此设置，使得它们发射和接收具有大孔径角γ或具有大声束扩张的超声波测量信号或者声场。因此两个超声波换能器2、3的距离L仅依据(一般是任意结构的)超声波测量信号或声场的孔径角γ。因此两个超声波换能器2、3的距离L可以在制造时候已经永久地设置，因为该距离不受其他系统参数和/或过程参数影响。系统参数和/或过程参数，例如是管7的内径di、管7的壁厚w、制造管7的材料的音速cr、或者介质9的音速c。因此，显著地降低安装费用；以后因为过程改变和/或系统改变而重调是多余的。

根据本发明，两个超声波换能器2、3的最小距离Lmin能够如此安排，使得相应于行程时间差方法而由两个超声波换能器2、3交替发射和接收的超声波测量信号仅通过声音路径SP1；SP2之一在介质9流过的容器7中传播。

在图1中根据本发明装置的优选的结构可以看出，其中两个超声波换能器2、3的最小距离Lmin和超声波测量信号或者声场的孔径角γ如此安排，以使超声波测量信号通过至少两个声音路径SP1，SP2传播，其中两个声音路径SP1，SP2的横渡的数目不同。“横渡”表示声音路径SP1；SP2的分区，在其上面超声波测量信号贯穿容器7一次。

在图2示出的曲线图中，示出了在图1的两个声音路径SP1、SP2上传播的超声波测量信号的振幅与行程时间的关系。根据两个超声波测量信号的行程时间差，控制/分析单元6一方面计算通过管7的介质9的期望体积流量；另一方面根据计算的值确定其应用参数。特别地，因为对于应用参数的精确计算需要很高的费用，所以这里对应用参数的确定通常回溯到估计值。在超声波换能器2、3的根据本发明布置下，可以根据在两个不同声音路径SP1、SP2中传播的测量信号的行程时间，以期望的高精度测量系统参数和过程参数。

下面根据数学模型示出一种可能性，即，如何根据在介质9中具有不同横渡数目n(见图1)的两个不同的声音路径SP1、SP2上传播的超声波测量信号计算未知的应用参数。

具有n个横渡的声音路径SP1；SP2的测量的行程时间是t(n)。应用参数是管壁厚度w，在管中的音速cr，管7的内径di和介质9的音速c。压电元件2、3到管壁的距离ds，距离L和在传导体2；3中的音速cs是已知量。

首先α(n)、αr(n)和αs(n)是在介质9中、在管7和在超声波换能器2、3中声音路径SP1；SP2的未知角度。对此光折射定律是有效的。为了简化，在方程中除去标号n。方程是：

$\frac{\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{c}=\frac{\sin \left(\mathrm{\αs}\right)}{\mathrm{cs}}$ (1)和

$\frac{\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{c}=\frac{\sin \left(\mathrm{\αr}\right)}{\mathrm{cr}}$ (2)

下列模型能够用于行程时间：

t(n)＝ts(n)+tr(n)+tm(n)    (3)

其中在管中的行程时间是 $\mathrm{tr}\left(n\right)=\frac{2w}{\mathrm{cr}\cos \left(\mathrm{\αr}\right)},$ 在超声波换能器2、3中的行程时间是 $\mathrm{ts}\left(n\right)=\frac{2\mathrm{ds}}{\mathrm{cs}*\cos \left(\mathrm{\αs}\right)}$ 和在介质9中的行程时间是 $\mathrm{tm}\left(n\right)=\frac{n*\mathrm{di}}{c\cos \left(\mathrm{\α}\right)}.$

另外：

L＝Ls(n)+Lr(n)+Lm(n)       (4)

沿着管轴线10，具有：在超声波换能器2、3中的线段Ls(n)＝2dstan(αs)，

在管7中的线段Lr(n)＝2wtan(αr)，和

在介质9中的线段Lm(n)＝n*di tan(α)。

因此对每个声音路径SP1、SP2得出用于三个未知角度的四个方程(1)-(4)。每个测量的行程时间能够根据额外的应用参数的方程组(根据情况，也可能是数字)而被解出。如果所有其他应用参数已知，那么声束例如根据c。如在图1和图2中示出，如果测量t(2)和t(4)，那么当已知w和cr时候能够根据c和di解方程。

该模型可以简化，可以对在方程(3)和(4)中的行程时间和管7中和超声波换能器2、3中的行程线段近似处理。那么例如得到下列关系

$\mathrm{Lr}\left(n\right)\≅0$ 和 $\mathrm{Ls}\left(n\right)\≅0.$

两个方程(1)和(2)内容上能够保持不予考虑，其中该近似对于管7的大内径di完全合理。

根据测量，通过方程(3)可知在介质中的行程时间tm(n)，并且

$L^2=n^2{\mathrm{di}}^2\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\α}\left(n\right)\right)}{{\cos }^2\left(\mathrm{\α}\left(n\right)\right)}=n^2{\mathrm{di}}^2(1-\frac{1}{{\cos }^2\left(\mathrm{\α}\left(n\right)\right)})n^2{\mathrm{di}}^2-{\mathrm{tm}}^2\left(n\right)c^2---\left(5\right)$

对于具有两个横渡和四个横渡的行程时间测量，下列介质9的音速c或者管7的内径di相应于两个下列的方程被计算出来。

$c=L\sqrt{\frac{3}{{\mathrm{tm}}^2\left(4\right)-4t{m}^2\left(2\right)}}$ (6)和

$\mathrm{di}=\frac{L}{2}\sqrt{\frac{{\mathrm{tm}}^2\left(4\right)-{\mathrm{tm}}^2\left(2\right)}{{\mathrm{tm}}^2\left(4\right)-{4\mathrm{tm}}^2\left(2\right)}}$ (7)

附图标记

1   夹紧流量计

2   超声波换能器

3   超声波换能器

4   压电元件

5   压电元件

6   控制/分析单元

7   容器/导管/管

8   管壁

9   介质

10  管轴

w   壁厚

cr  管7的音速

c   介质9的音速

di  管7的内径

L   超声波换能器2、3的距离

Lmin超声波换能器2、3的最小距离

γ       孔径角

tm(n)在介质9中的行程时间

n   横渡

ds  压电元件4、5距管壁8的距离

SP1 第一声音路径

SP2 第二声音路径

Claims (10)

1.一种流量计，具有控制/分析单元(6)和至少两个超声波换能器(2、3)，超声波换能器(2、3)安装在介质(9)沿流动方向(S)流过的容器(7)上，其中超声波换能器(2、3)沿着流动方向(S)和逆着流动方向(S)交替地发射和接收超声波测量信号，并且控制/分析单元(6)根据沿着流动方向(S)和逆着流动方向(S)传播的超声波测量信号的行程时间差，确定和/监测在容器(7)中的介质(9)的体积流量，其特征在于，

其中超声波换能器(2、3)如此构成，使得它们发生或接收具有大孔径角(γ)或具有大声束扩张的超声波测量信号或者声场。

2.如权利要求1所述的装置，其中两个超声波换能器(2、3)以限定的距离(L)互相设置，其中两个超声波换能器(2、3)的距离(L)仅依赖于超声波测量信号或者声场的孔径角(γ)，并且其中两个超声波换能器(2、3)的距离(L)不依赖于其他系统参数和/或过程参数(w，cr，c，di)。

3.如权利要求2所述的装置，其中两个超声波换能器(2、3)的最小距离(Lmin)如此安排，使得由两个超声波换能器(2、3)交替地发射和接收的超声波测量信号通过各自至少一个声音路径(SP1；SP2)在介质(9)流过的容器(7)中传播。

4.如权利要求3所述的装置，其中两个超声波换能器(2、3)的最小距离(Lmin)和超声波测量信号或者声场的孔径角(γ)如此安排，使得超声波测量信号通过横渡数目(n)不同的至少两个声音路径(SP1，SP2)传播，其中一个横渡表示声音路径(SP1；SP2)的分区，在其上面超声波测量信号贯穿容器(7)一次。

5.如权利要求4所述的装置，其中控制/分析单元(6)根据在介质(9)穿过的容器(7)中沿流动方向(S)和逆着流动方向(S)在至少两个不同声音路径(SP1、SP2)上传播的超声波测量信号的行程时间(t(n))，至少计算出要求用于确定在容器(7)中的介质(9)的体积流量所需的系统或过程参数(w，cr，c，di)之一。

6.如权利要求5所述的装置，其中至少一个系统或者过程参数是容器(7)的内径(di)，容器(7)的壁厚(w)，制造容器(7)的材料的音速(cr)，或者介质(9)的音速(c)。

7.如权利要求1所述的装置，其中每一个超声波换能器(2、3)至少具有一个压电元件(4、5)作为发送和/或接收元件。

8.如权利要求7所述的装置，其中压电元件(4、5)是盘形的压电元件，其属于用于声束扩张目的的声音散播透镜或者声音透镜。

9.如权利要求7所述的装置，其中设有作为发射和/或接收元件的多个压电元件(4、5)，其中发射和/接收元件设置在一个阵列中。

10.如权利要求9所述的装置，其中控制/分析单元(6)如此控制该阵列中的压电元件(4、5)，以便得到预先确定的声束扩张或者期望的孔径角(γ)。