CN1867814A - 用于确定和/或监控管道中介质的体积和/或质量流量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控在流动方向(S)上流经管道(2)的介质(3)的体积和/或质量流量的装置。该装置包括：至少两个超声传感器(16，17)，它们在确定的测量位置固定在管道(2)的外壁上并且交替发射及接收超声测量信号；和调节/分析单元(22)，其基于超声测量信号在流动方向(S)上和与流动方向(S)相反的方向上的行程时间差而确定管道(2)中介质(3)的体积和/或质量流量。为了保证超声流量测量仪表(1)在管道(2)上的快速安装和拆卸，所述至少两个超声传感器(16，17)固定在钳式夹持单元(4)上，这样实现该夹持单元，使得超声传感器(16，17)可以通过在测量位置的简单夹持而被装配在管道(2)上。

Description

用于确定和/或监控管道中介质的体积和/或质量流量的装置

本发明涉及一种用于确定和/或监控在流动方向上流经管道的介质的体积和/或质量流量的装置。该装置包括：至少两个超声传感器，它们在确定的测量位置固定在管道外壁并且交替发射及接收超声测量信号；和调节/分析单元，其基于超声测量信号在流动方向上和与流动方向相反的方向上的行程时间差而确定管道中介质的体积和/或质量流量。

在过程及自动化技术中的许多用途中应用了上述类型的夹钳式超声流量测量仪表，其利用所谓的行程时间差方法确定体积流量。它们能够无接触地确定在容器，例如管道中的体积流量。为此，以预定的角度将超声测量信号辐射进入介质所处的管道。超声传感器在管道上的测量位置依赖于管道的内径、壁厚以及管道材料中的声速。为了提供对于流量的可靠测量变量，必须知道这些参数。

已知夹钳式流量测量仪表，其中超声变送器被利用钳锁而在外部压在管道上。例如在EP 0 686 255 B1、US-PS 4,484,478或US-PS4,598,593中描述了夹钳式流量测量仪表。另外，已知使用链条、吊钩及环带或螺钉而将夹钳式测量仪表施加于管道。很清楚，用于定位超声传感器的已知方法相当费时。

本发明的任务是提供一种夹钳式流量测量仪表，其能够快速装配到管道上或从管道上卸载，该管道的外径基本上是任选的。

这样实现该任务：两个超声传感器固定至使得超声传感器能够夹钳到管道上的钳式夹持单元。优选地，这样构造钳式夹持单元，使得在夹钳到管道上之后，两个超声传感器自动处于正确的测量位置，并且实际上基本上与管道的外径无关。管道直径的上限仅仅通过具体构造而给出并且特别地是通过钳式夹持单元的可能张开角而给出。

在本发明的装置的具有优点的进一步发展中，这样实现夹持单元，使得两个超声传感器设置在与管道纵轴基本平行的外轮廓线上的两个或多个横梁布置中的测量位置上。或者，这样实现夹持单元，使得两个超声传感器在一个单横梁布置或多重单横梁布置中设置在管道相对面的测量位置中。

可以看出，特别简单的实施方式是钳式夹持单元包括第一部分单元和第二部分单元。特别地，第一部分单元由两个杠杆臂构成，这两条杠杆臂经由枢轴连接而在它们的中央区域耦合在一起。优选地，在枢轴连接提供第一旋转发送器，用于检测两条杠杆臂之间的角度位置。基于旋转发送器提供的测量值，调节/分析单元确定管道外径。

第二部分单元优选地由以下部件构成：

-两条导轨，它们布置成V形并经由枢轴连接而在它们的连接末端区域耦合在一起；

-两个可牢固夹钳的枢轴连接，它们位于导轨的自由末端区域中以及横拉杆的末端区域中；

-两个连接件，它们刚性安装在枢轴连接上并且超声传感器固定至它们；

-横拉杆，其与第一部分单元的第一杠杆臂刚性连接；

-支架，其与第一部分单元的第二杠杆臂相连。

正如已经提到的，在夹钳式流量测量仪表的情况中，很重要的是要在计算超声测量信号的行程时间时考虑管道的壁厚。或者已知管道的壁厚，或者可以通过超声传感器利用超声而确定。于是，在本发明的装置的优选实施例中，提供补偿单元，通过它可以基本自动地补偿管道的壁厚。为此，为补偿单元分配第二旋转发送器和长度传感器。旋转发送器和长度传感器将它们的测量数据发送至调节/分析单元。

现在根据附图详细解释本发明，附图中：

图1是本发明的超声流量测量仪表的优选实施例的透视图；

图2是图1所示的实施例的截面图；

图3是本发明的超声流量测量仪表的第二实施例的截面图；

图4是图3所示的实施例的俯视图；

图5是用于启动本发明的流量测量仪表的框图；

图6是超声测量信号的声音路径的示意表达；

图7是在补偿壁厚d的情况中，用于确定本发明的流量测量仪表的高度位移的示意图；

图8是在补偿薄壁厚d₁的情况中，本发明的装置的示意图；

图9是在补偿薄壁厚d₂的情况中，本发明的装置的示意图；

图10是在强烈折射的测量介质的情况中，钳式夹持单元的腿的角位置的示意表达。

图1是本发明的超声流量测量仪表1的优选实施例的透视图，该仪表用于确定和/或监控流经管道2的介质3的体积或质量流量。图2提供了图1所示的实施例的截面图。超声流量测量仪表1根据行程时间差原理工作：超声测量信号在流动方向和相反方向上穿越管道2中的介质3的行程时间之差与介质3的流速成比例。在已知管道2内径的情况下，可以确定体积流量。如果还知道流动介质3的密度，那么就可以确定流经管道2的质量流量。

在所示的情况中，两个超声传感器16、17交替发射和接收超声测量信号。两个超声传感器16、17位于管道2的平行于纵轴延伸的外轮廓线上的测量位置，也就是从第一超声传感器16、17发射的测量信号的最大部分在第二超声传感器17；16中被接收。两个超声传感器16、17位于所谓的双横梁布置中。在调节/分析单元22中完成超声测量信号行程时间差的确定以及体积或质量流量的确定。

本发明的超声流量测量仪表1可以使用结构非常简单的机构而在正确的测量位置应用于管道2。特别地，该机构可以毫无问题地适用于基本上任意的管道2外径。对此的决定性条件仅仅是已知介质3的声速或折射率。优选地，这样实现该机构，使得对于管道2的不同外径，自动达到正确的测量位置。在所示的情况中，这样实现该机构，使得经由两个超声传感器16、17、支架19和压力弹簧8产生夹钳作用，其中压力弹簧位于两条杠杆臂4、5之间。当然，也可以这样实现本发明的超声测量仪表1，使得超声传感器16、17以所谓的单横梁布置安装在管道2的相对区域中的测量位置。该布置的另一变型是所谓的双重或多重单横梁布置。

进一步研究图1。正如已经指出的，本发明的流量测量仪表1的基本部件是钳式夹持单元4，超声传感器16、17可以经由它以简单的方式固定至管道3。夹持单元4由第一部分单元28和第二部分单元29构成。第一部分单元28具有两条杠杆臂5、6，它们布置在一个平面中并且经由枢轴连接7被彼此可运动地支承。夹持单元4的第一部分单元28的构造对应于剪刀或钳子的构造；第二部分单元29基本对应于钳子的夹持部分。

在所示的情况中，第二部分单元29由以下部件构成：两条V形布置的导轨10、11，它们在其连接末端区域经由枢轴连接9耦合在一起；在导轨1O、11的“自由”末端区域中提供两个枢轴连接20、23，21、24；两个连接件14、15，超声传感器16、17固定至它们；横拉杆12；和支架19。枢轴连接20、23；21、24各自利用两个可枢轴旋转且可牢固夹钳地设置的管状件实现。在各种情况中，一个管状件23、24在各自一条导轨10、11的末端区域中固定。这些管状件23、24与管状件20、21可枢轴旋转且可锁定地相连，管状件20、21可移动地布置在横拉杆12上。管状件20、23；21、24能够以不同的角位置彼此锁定。为了将两个超声传感器16、17相对彼此正确定位，这样依赖于管道2中流动的介质3以及管道3的预定内径调整两条导轨10、11之间的角度α，使得从超声传感器16、17发射的超声测量信号在另一超声传感器17；16中被接收。

为了确定角度β，在将两条导轨10、11连接在一起的枢轴连接7的区域中提供旋转发送器25。根据旋转发送器传递的数据，调节/分析单元22确定管道的外径D_a。图6中简要显示了相应的情况。根据钳式夹持单元4的张开角β和腿的固定长度，可以清楚地进行检测。知道了管道2的直径D_a和壁厚d，可以计算管道2的内径D_i以及内部面积。在本发明的装置的优选实施例中，还这样实现超声传感器，使得它们例如布置在外壳中，既可以执行壁厚d的测量(通过测量在垂直声音路径上的声速)还可以执行流速测量(通过测量在倾斜声音路径上的声速)。简化到实际中，这个实施例可以通过两个压电元件实现，这两个压电元件以不同的角度辐射进入管道2。

于是，与流速测量相关的变量的确定基本上自动进行：从而在这个最后提到的优选实施例中不需要操作者输入任何有关管道2的几何形状的附加信息。在这个实施例中，向调节/分析单元22提供有关管壁制造材料的信息就足够了。于是，有关管壁中相应声速c_R的信息就例如从调节/分析单元22中存储的表中得到。以这种方式，可以根据以下公式，从在管壁的相对区域上反射的两个回波信号之间测量的行程时间T以及声速c_R计算出管道2的壁厚d：

                   d＝c_R*T/2

已知管道2的外径D_a、管道2的内径D_i和管道2的壁厚d，就可以以类似于确定壁厚d的方式，基于在与超声传感器相对的管壁上反射的回波信号T_M的行程时间，推算出在介质中的声速C_M。相应的公式是：

                   c_M＝d_i/(T_M/2)

于是，可以根据以下公式确定角度α：

$\mathrm{\α}=2*a\sin (\frac{c_M}{c_K}*\sin {\mathrm{\α}}_K)$

其中

α_K：角度，超声信号以这个角度在出射表面上辐射进入超声传感器，这个角度通常由制造者指定。

c_K：超声传感器16；17的前导体33中的声速；这也是从由制造者提供的数据中已知的。

根据本发明，一旦超声流量测量仪表1被牢固夹钳在管道2上，超声传感器16、17沿管道2外轮廓线32的距离就被依赖于管道2的外径D_a而自动调节。为此，固定至导轨10、11的管状件23、24以角度α刚性地与管状件20、21相连，管状件20、21可移动地布置在横拉杆12上。这样调节两条导轨10、11相对于横拉杆12的角度α，使得依赖于管道2的预定外径并且依赖于在管道2中流动的介质3中的声速达到超声传感器16、17的正确测量位置。承载超声传感器16、17的连接件14、15与可移动地设置在横拉杆12上的两个管状件20、21刚性相连。根据图9和10中给出的夹持装置的比较，可以很清楚地看出这一点。

横拉杆12在其中央区域与杠杆臂5的末端区域刚性相连。通过管状件20、21与连接件14、15以及超声传感器16、17的连接，两条导轨10、11的角位置的改变被转换为连接件14、15以及与其牢固相连的超声传感器17、18相对于横拉杆12的平移运动。如果管道2的外径D_a小于图1中所示的，那么两个超声传感器16、17在夹持单元4夹钳到管道2上时自动地彼此更加靠近地就位。如果外径D_a更大，那么两个超声传感器16、17自动彼此远离。如果管道2的内径和介质3的折射率都已知，那么本发明的夹钳式超声流量测量仪表1可以非常迅速地安装到任意外径的管道2的正确测量位置。符合条件的直径只受到本发明的装置的结构尺寸的限制。

夹持单元4通过压力弹簧8施加的复位力而在管道2上固定在测量位置。压力弹簧8布置在两条杠杆臂5、6的两个自由末端区域的区域中。

为了计算超声测量信号的正确行程时间，必须考虑管道2的壁厚d。管道2的壁厚的补偿在图1所示的本发明的装置的实施例中是通过支架19的高度位移，并因而通过以角度α设置的两条导轨10、11的高度位移而实现的。为此，优选地在枢轴连接9的区域中提供长度传感器27。如果例如通过管壁的声速C_R和厚度d而知道管壁中的折射，那么可以由以下公式计算补偿的高度H：

                  H＝H′+d

图6中示意性表示了相应的主题。要补偿的高度H可以以线性驱动自动调节，或者以长度传感器(电阻传感器)或分度尺而手动调节。对于手动调节，还需要在正确位置的固定螺丝或锁定。图8和9的比较显示了对于两个不同壁厚d1、d2的要补偿的高度H。

图3以截面图显示了本发明的超声流量测量仪表1的第二实施例；图4显示了该实施例的侧视图。与图1和2的超声流量测量仪表1相比的基本不同在于，这里在支架19的区域中还布置了第三超声传感器30。

图5是用于启动本发明的流量测量仪表1的框图。调节/分析单元22触发超声传感器16、17发送超声测量信号，并测量在另一超声传感器17；16接收到超声测量信号之前经过的时间。根据超声测量信号在流动方向上和相反方向上的行程时间差，调节/分析单元22确定流经管道2的介质3的体积和/或质量流量。

另外，调节/分析单元22从旋转发送器26获得关于两条导轨10、11之间的角度α的信息。而且，通过长度传感器27，调节/分析单元22可以获得有关用于管道2壁厚d的补偿单元的高度位置的信息。另外，通过角度β和旋转发送器25，调节/分析单元22还可以获得有关管道2的直径D_a的信息。

附图标记

1   超声流量测量仪表

2   管道

3   介质

4   夹持单元

5   第一杠杆臂

6   第二杠杆臂

7   第一枢轴连接

8   压力弹簧

9   第二枢轴连接

10  第一导轨

11  第二导轨

12  横拉杆

13  保持元件

14  连接件

15  连接件

16  超声传感器

17  超声传感器

18  管状件

19  支架

20  管状件

21  管状件

22  调节/分析单元

23  管状件

24  管状件

25  旋转发送器

26  旋转发速器

27  长度传感器

28  第一部分元件

29  第二部分元件

30  超声传感器

31  纵轴

32  外轮廓线

33  前导体

34  超声传感器

Claims (11)

1.一种用于确定和/或监控以流动方向(S)流经管道(2)的介质(3)的体积和/或质量流量的装置，包括：至少两个超声传感器(16，17)，它们在确定的测量位置固定在管道(2)的外壁上并且交替发射及接收超声测量信号；和调节/分析单元(22)，其基于超声测量信号在流动方向(S)上和与流动方向(S)相反的方向上的行程时间差而确定管道(2)中介质(3)的体积和/或质量流量；其特征在于，所述两个超声传感器(16，17)固定在钳式夹持单元(4)上，这样实现该夹持单元，使得超声传感器(16，17)可以通过夹钳而在测量位置装配在管道(2)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，这样构造钳式夹持单元(4)，使得在夹钳到具有基本上任意外径的管道(2)上之后，两个超声传感器(16，17)自动处于测量位置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，这样实现夹持单元(4)，使得两个超声传感器(16，17)设置在与管道(2)的纵轴(31)基本平行的外轮廓线(32)上的两个或多个横梁布置中的测量位置上。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，这样实现夹持单元(4)，使得两个超声传感器(16，17)在一个单横梁布置或多重单横梁布置中设置在管道(2)的相对面的测量位置中。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中钳式夹持单元(4)包括第一部分单元(28)和第二部分单元(29)。

6.根据权利要求5所述的装置，其中第一部分单元(28)由两个杠杆臂(5，6)构成，这两条杠杆臂经由枢轴连接(7)而在它们的中央区域耦合在一起。

7.根据权利要求5所述的装置，其中第二部分单元(29)由以下部件构成：两条V形设置的导轨(10，11)，它们在它们的连接末端区域通过枢轴连接(9)耦合在一起；两个可牢固夹钳的枢轴连接(20，23；21，24)，它们位于导轨(10，11)的自由末端区域中以及横拉杆(12)的末端区域中；两个连接件(14，15)，超声传感器(16，17)固定至它们；横拉杆(12)，其与第二部分单元(29)的第一杠杆臂(5)刚性连接；和支架(19)，其与第一部分单元(28)的第二杠杆臂(6)相连。

8.根据权利要求1、6或7所述的装置，其中提供第一旋转发送器(25)，其确定两条杠杆臂(5，6)之间的角位置，其中分析/调节单元(22)基于提供的两条杠杆臂(5，6)之间的角位置确定管道(2)的外径(D_a)。

9.根据权利要求1、6或7所述的装置，其中提供至少一个附加的超声传感器(34)，其确定管道(2)的壁厚(d)。

10.根据权利要求9所述的装置，其中提供补偿单元(18，19)，其利用钳式夹持单元(4)的相应高度位移(H)自动补偿管道(2)的壁厚(d)。

11.根据权利要求10所述的装置，其中为补偿单元(18，19)分配第二旋转发送器(26)和长度传感器(27)，通过它们自动补偿管壁对于超声测量信号行程时间的影响。

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