專利名稱：流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流量計，其具有至少兩個超聲波換能器和一個控制/分析單元。兩個超聲波換能器安裝于介質(zhì)沿流動方向流過的容器上。根據(jù)沿著流動方向和逆著流動方向傳播的測量信號的行程時間差，控制/分析單元計算出容器中的介質(zhì)的體積流量。
背景技術：
通過所謂的行程時間差方法的前述類型的超聲波流量計已經(jīng)被廣泛地用于過程技術和自動控制技術中。流量計能夠不接觸地確定在諸如導管中的容器中的體積流量。
在導管中使用的超聲波流量測量接收器和夾緊流量計之間是不同的，其中在夾緊流量計中超聲波換能器通過夾緊連接被從外面壓在導管上。例如在EP 0 686 255 B1、US-PS 4,484,478或者US-PS 4,598,593描述的夾緊流量計。
在兩種超聲波流量測量計中，在存在介質(zhì)的容器中以設定的角度發(fā)射超聲波測量信號。對于超聲波流量測量接收器，在測量管上超聲波換能器的各個位置是依賴于測量管的內(nèi)徑和介質(zhì)的聲速的。因為測量管的內(nèi)徑在制造中是已知的，根據(jù)應用情況，其余介質(zhì)的音速僅作為近似方式的已知參數(shù)。
對于夾緊流量測量計，還要補充導管的壁厚和導管材料的音速作為其他的應用參數(shù)，其存在相對較大的誤差。
根據(jù)應用情況，在夾緊流量測量計中存在其他的誤差源。在夾緊流量測量計中使用的超聲波換能器具有耦合鍵(Koppelkeil)和至少一個能產(chǎn)生超聲波測量信號的壓電元件。該耦合鍵通常由塑料制成并且一方面用于阻抗調(diào)整另一方面用作壓電元件的保護。
在壓電元件中產(chǎn)生的超聲波測量信號將通過耦合鍵或者傳輸體和管壁在流動的介質(zhì)中傳導。因為在流體中的音速和在塑料中互相不同，在從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)傳輸中超聲波被中斷。計算角度本身根據(jù)光反射定律確定，也就是說計算角度依據(jù)兩種介質(zhì)的傳播音速的關系。
利用由塑料制成的耦合鍵或者傳輸體獲得好的阻抗調(diào)整；當然塑料的音速示出相當強的溫度關系。一般塑料的音速從在25℃的大約2500m/s變化為在130℃ 2200m/s。另外在耦合鍵的塑料中超聲波測量信號的行程時間由于溫度而產(chǎn)生改變，所以在流動介質(zhì)中超聲波測量信號的傳播方向改變。因此在根據(jù)行程時間差方法工作的超聲波流量測量計中兩種變化對測量精確性產(chǎn)生很大影響。
在已知的流量計中預先設定超聲波換能器的角度位置。為了在首次裝配或者在以后應用改變的情況下基于前面所述要求，互相限定地調(diào)整兩個超聲波換能器的距離。此外在此期間通常兩個超聲波換能器中的一個相對另一個移動，直到接收到超聲波的測量信號最大強度的位置被計算出來。然后計算在“試驗/錯誤”路徑上的兩個超聲波的最佳距離，兩個超聲波換能器牢固地在計算的位置鎖定在管壁上。該過程當然是相當費時的。
另外，一些參數(shù)，特別是在夾緊流量測量計中用于精確確定體積流量所必需的參數(shù)，在很少的情況下是精確地知道；或者這些參數(shù)的計算相當貴。雖然導管的外徑的確定已經(jīng)不是問題，但導管壁厚的計算完全是有問題的。此外在很多情況下導管材料的音速和介質(zhì)的音速也不會精確地確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種裝置，用于高精度地確定和/或監(jiān)測在容器中的體積流量。
本發(fā)明的目的如此實現(xiàn)，構成超聲波換能器，使得它們能發(fā)射和接收具有大孔徑角的測量信號或者聲場。根據(jù)空間轉動的輻射或者接收特性，超聲波測量信號在寬的角度范圍輻射或者從寬的角度范圍接收。簡言之，存在限定的期望聲束擴張。因此，超聲波換能器的安裝位置將不受導管的直徑和在導管中流動介質(zhì)的音速影響。
一般來說，根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選的結構，兩個超聲波換能器以確定的距離互相設置，其中兩個超聲波換能器的距離僅依賴于測量信號或者聲場的孔徑角；兩個超聲波換能器的距離完全不受其他系統(tǒng)或者過程參數(shù)的影響。這種用于高精度的重要系統(tǒng)參數(shù)和過程參數(shù)(如在前面已經(jīng)提及的)涉及介質(zhì)的音速、管材料的音速、導管的壁厚或者導管的內(nèi)徑。
優(yōu)選地流量計是一種夾緊流量計。
為了確定和/或監(jiān)測導管中的介質(zhì)的體積流量而使用的聲音路徑(沿流動方向和逆著流動方向)是通過在導管上超聲波換能器的位置而不是通過超聲波換能器的發(fā)射方向而預先設定的。因此根據(jù)本發(fā)明的夾緊流量計的首次裝配相對于現(xiàn)有技術已知的使用方案當然是特別簡單的。因此一旦發(fā)生了過程或系統(tǒng)改變，在已知解決方案中必須的重調(diào)在所有情況下都是多余的。
根據(jù)本發(fā)明裝置的一種特別低廉的結構在于，在超聲波換能器中使用的壓電元件是一種盤形壓電元件。例如盤形壓電元件具有本征的孔徑角γ，其通過下列數(shù)學公式確定sin(γ)＝1.22λ/D，其中入表示在介質(zhì)中超聲波測量信號的波長并且D表示圓盤形壓電元件的直徑。因此例如通過壓電元件的直徑可以得到期望的聲束擴張。因此通過使用有關聲音散播透鏡，取得另外的或者備選的散焦和聲束擴張?；蛘吣軌蚴褂糜嘘P聲音透鏡，其中必須注意，超聲波測量信號不在導管中透鏡的焦點上發(fā)射或者在導管外被接收。
根據(jù)具有寬的射出或者接收特性的超聲波換能器的優(yōu)選的另一種結構，設有作為發(fā)射元件和/或接收元件的多個壓電元件，其中發(fā)射元件和/或接收元件設置成一個陣列。每個期望的射出特性或者接收特性或者聲束擴張通過單獨的壓電元件的相應電子控制實現(xiàn)。特別是控制/分析單元在該陣列中控制壓電元件，因此最后實現(xiàn)每個期望的聲束擴張。這樣作為相位-壓電-陣列的陣列通過購買得到并且用在醫(yī)學技術和材料檢查中。
根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選的進一步結構，兩個超聲波換能器的最小距離如此布置，使得由兩個超聲波換能器交替地發(fā)射和接收的超聲波測量信號通過各自至少一個聲音路徑在介質(zhì)流過的容器中傳播。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的較大的優(yōu)點在于，兩個超聲波換能器的相對位置在夾緊流量計制造的時候已經(jīng)預先固定地設定。因為該儀器僅僅被固定在導管上，所以一直必需的調(diào)整和相對貴的裝配輔助是不需要的。因此這是第一次可能的，沒有專門電子專業(yè)知識的裝配工能夠使根據(jù)本發(fā)明的夾緊流量計運行。因此節(jié)省了時間和金錢。
為了達到提高程度的測量安全性，根據(jù)本發(fā)明的有利的結構在于，兩個超聲波換能器的最小距離和測量信號或者聲場的孔徑角如此設置，以便測量信號至少通過橫渡數(shù)目不同的兩個聲音路徑傳播。一個“橫渡”定義了聲音路徑的分區(qū)，在其上面測量信號貫穿容器一次。
此外前述的實施例提供另外最大的有利可能性。在預設的位置已經(jīng)提示，根據(jù)應用情況，計算每個單獨的過程參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)是困難的。應該考慮，通常在計算中使用估計值——一種方法，不必需測量相當高價值的測量結果。或者以昂貴類型和方式計算應用參數(shù)或者過程參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。
對于該問題根據(jù)本發(fā)明裝置的實施例提供一種非?？煽亢秃唵蔚慕鉀Q方案控制/分析單元根據(jù)在介質(zhì)穿過的容器中沿流動方向和逆著流動方向在至少兩個不同聲音路徑上傳播的超聲波測量信號的行程時間至少計算出用于確定在容器中介質(zhì)的體積流量所需的系統(tǒng)參數(shù)和過程參數(shù)之一。


根據(jù)下列附圖詳細地說明本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選實施例的示意圖；以及圖2示出曲線圖，其描述圖1中的超聲波測量信號的振幅與行程時間的關系。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明超聲波流量計1的優(yōu)選實施例的示意圖。測量器1在示出的情況下是夾緊流量計。測量器1根據(jù)已知的行程時間差的方法計算在管7中介質(zhì)9的體積流量。
夾緊超聲波流量計1的基本組件是兩個超聲波換能器2、3和控制/分析單元6。這兩個超聲波換能器2、3通過在圖1中沒有分開示出的固定裝置安裝在管7上。從現(xiàn)有技術中可充分知道固定裝置并且可以由申請人提供和銷售。具有內(nèi)徑di的管7被介質(zhì)9沿流動方向S流過。
超聲波換能器2；3具有至少一個壓電元件4、5和耦合鍵作為基本構件，其中壓電元件4、5產(chǎn)生和/或接收超聲波測量信號。超聲波測量信號將通過耦合鍵輸入介質(zhì)9流過的管7或者從管7中輸出。
兩個超聲波換能器2、3如此設置，使得它們發(fā)射和接收具有大孔徑角γ或具有大聲束擴張的超聲波測量信號或者聲場。因此兩個超聲波換能器2、3的距離L僅依據(jù)(一般是任意結構的)超聲波測量信號或聲場的孔徑角γ。因此兩個超聲波換能器2、3的距離L可以在制造時候已經(jīng)永久地設置，因為該距離不受其他系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)影響。系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)，例如是管7的內(nèi)徑di、管7的壁厚w、制造管7的材料的音速cr、或者介質(zhì)9的音速c。因此，顯著地降低安裝費用；以后因為過程改變和/或系統(tǒng)改變而重調(diào)是多余的。
根據(jù)本發(fā)明，兩個超聲波換能器2、3的最小距離Lmin能夠如此安排，使得相應于行程時間差方法而由兩個超聲波換能器2、3交替發(fā)射和接收的超聲波測量信號僅通過聲音路徑SP1；SP2之一在介質(zhì)9流過的容器7中傳播。
在圖1中根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選的結構可以看出，其中兩個超聲波換能器2、3的最小距離Lmin和超聲波測量信號或者聲場的孔徑角γ如此安排，以使超聲波測量信號通過至少兩個聲音路徑SP1，SP2傳播，其中兩個聲音路徑SP1，SP2的橫渡的數(shù)目不同?！皺M渡”表示聲音路徑SP1；SP2的分區(qū)，在其上面超聲波測量信號貫穿容器7一次。
在圖2示出的曲線圖中，示出了在圖1的兩個聲音路徑SP1、SP2上傳播的超聲波測量信號的振幅與行程時間的關系。根據(jù)兩個超聲波測量信號的行程時間差，控制/分析單元6一方面計算通過管7的介質(zhì)9的期望體積流量；另一方面根據(jù)計算的值確定其應用參數(shù)。特別地，因為對于應用參數(shù)的精確計算需要很高的費用，所以這里對應用參數(shù)的確定通?；厮莸焦烙嬛?。在超聲波換能器2、3的根據(jù)本發(fā)明布置下，可以根據(jù)在兩個不同聲音路徑SP1、SP2中傳播的測量信號的行程時間，以期望的高精度測量系統(tǒng)參數(shù)和過程參數(shù)。
下面根據(jù)數(shù)學模型示出一種可能性，即，如何根據(jù)在介質(zhì)9中具有不同橫渡數(shù)目n(見圖1)的兩個不同的聲音路徑SP1、SP2上傳播的超聲波測量信號計算未知的應用參數(shù)。
具有n個橫渡的聲音路徑SP1；SP2的測量的行程時間是t(n)。應用參數(shù)是管壁厚度w，在管中的音速cr，管7的內(nèi)徑di和介質(zhì)9的音速c。壓電元件2、3到管壁的距離ds，距離L和在傳導體2；3中的音速cs是已知量。
首先α(n)、αr(n)和αs(n)是在介質(zhì)9中、在管7和在超聲波換能器2、3中聲音路徑SP1；SP2的未知角度。對此光折射定律是有效的。為了簡化，在方程中除去標號n。方程是sin(α)c=sin(αs)cs]]>(1)和sin(α)c=sin(αr)cr]]>(2)下列模型能夠用于行程時間t(n)＝ts(n)+tr(n)+tm(n)(3)其中在管中的行程時間是tr(n)=2wcrcos(αr),]]>在超聲波換能器2、3中的行程時間是ts(n)=2dscs*cos(αs)]]>和在介質(zhì)9中的行程時間是tm(n)=n*diccos(α).]]>另外L＝Ls(n)+Lr(n)+Lm(n) (4)沿著管軸線10，具有在超聲波換能器2、3中的線段Ls(n)＝2dstan(αs)，在管7中的線段Lr(n)＝2wtan(αr)，和在介質(zhì)9中的線段Lm(n)＝n*di tan(α)。
因此對每個聲音路徑SP1、SP2得出用于三個未知角度的四個方程(1)-(4)。每個測量的行程時間能夠根據(jù)額外的應用參數(shù)的方程組(根據(jù)情況，也可能是數(shù)字)而被解出。如果所有其他應用參數(shù)已知，那么聲束例如根據(jù)c。如在圖1和圖2中示出，如果測量t(2)和t(4)，那么當已知w和cr時候能夠根據(jù)c和di解方程。
該模型可以簡化，可以對在方程(3)和(4)中的行程時間和管7中和超聲波換能器2、3中的行程線段近似處理。那么例如得到下列關系Lr(n)≅0]]>和Ls(n)≅0.]]>兩個方程(1)和(2)內(nèi)容上能夠保持不予考慮，其中該近似對于管7的大內(nèi)徑di完全合理。
根據(jù)測量，通過方程(3)可知在介質(zhì)中的行程時間tm(n)，并且L2=n2di2sin2(α(n))cos2(α(n))=n2di2(1-1cos2(α(n)))n2di2-tm2(n)c2---(5)]]>對于具有兩個橫渡和四個橫渡的行程時間測量，下列介質(zhì)9的音速c或者管7的內(nèi)徑di相應于兩個下列的方程被計算出來。
c=L3tm2(4)-4tm2(2)]]>(6)和di=L2tm2(4)-tm2(2)tm2(4)-4tm2(2)]]>(7)
附圖標記1 夾緊流量計2 超聲波換能器3 超聲波換能器4 壓電元件5 壓電元件6 控制/分析單元7 容器/導管/管8 管壁9 介質(zhì)10 管軸w 壁厚cr 管7的音速c 介質(zhì)9的音速di 管7的內(nèi)徑L 超聲波換能器2、3的距離Lmin超聲波換能器2、3的最小距離γ 孔徑角tm(n)在介質(zhì)9中的行程時間n 橫渡ds 壓電元件4、5距管壁8的距離SP1 第一聲音路徑SP2 第二聲音路徑
權利要求
1.一種流量計，具有控制/分析單元(6)和至少兩個超聲波換能器(2、3)，超聲波換能器(2、3)安裝在介質(zhì)(9)沿流動方向(S)流過的容器(7)上，其中超聲波換能器(2、3)沿著流動方向(S)和逆著流動方向(S)交替地發(fā)射和接收超聲波測量信號，并且控制/分析單元(6)根據(jù)沿著流動方向(S)和逆著流動方向(S)傳播的超聲波測量信號的行程時間差，確定和/監(jiān)測在容器(7)中的介質(zhì)(9)的體積流量，其特征在于，其中超聲波換能器(2、3)如此構成，使得它們發(fā)生或接收具有大孔徑角(γ)或具有大聲束擴張的超聲波測量信號或者聲場。
2.如權利要求1所述的裝置，其中兩個超聲波換能器(2、3)以限定的距離(L)互相設置，其中兩個超聲波換能器(2、3)的距離(L)僅依賴于超聲波測量信號或者聲場的孔徑角(γ)，并且其中兩個超聲波換能器(2、3)的距離(L)不依賴于其他系統(tǒng)參數(shù)和/或過程參數(shù)(w，cr，c，di)。
3.如權利要求2所述的裝置，其中兩個超聲波換能器(2、3)的最小距離(Lmin)如此安排，使得由兩個超聲波換能器(2、3)交替地發(fā)射和接收的超聲波測量信號通過各自至少一個聲音路徑(SP1；SP2)在介質(zhì)(9)流過的容器(7)中傳播。
4.如權利要求3所述的裝置，其中兩個超聲波換能器(2、3)的最小距離(Lmin)和超聲波測量信號或者聲場的孔徑角(γ)如此安排，使得超聲波測量信號通過橫渡數(shù)目(n)不同的至少兩個聲音路徑(SP1，SP2)傳播，其中一個橫渡表示聲音路徑(SP1；SP2)的分區(qū)，在其上面超聲波測量信號貫穿容器(7)一次。
5.如權利要求4所述的裝置，其中控制/分析單元(6)根據(jù)在介質(zhì)(9)穿過的容器(7)中沿流動方向(S)和逆著流動方向(S)在至少兩個不同聲音路徑(SP1、SP2)上傳播的超聲波測量信號的行程時間(t(n))，至少計算出要求用于確定在容器(7)中的介質(zhì)(9)的體積流量所需的系統(tǒng)或過程參數(shù)(w，cr，c，di)之一。
6.如權利要求5所述的裝置，其中至少一個系統(tǒng)或者過程參數(shù)是容器(7)的內(nèi)徑(di)，容器(7)的壁厚(w)，制造容器(7)的材料的音速(cr)，或者介質(zhì)(9)的音速(c)。
7.如權利要求1所述的裝置，其中每一個超聲波換能器(2、3)至少具有一個壓電元件(4、5)作為發(fā)送和/或接收元件。
8.如權利要求7所述的裝置，其中壓電元件(4、5)是盤形的壓電元件，其屬于用于聲束擴張目的的聲音散播透鏡或者聲音透鏡。
9.如權利要求7所述的裝置，其中設有作為發(fā)射和/或接收元件的多個壓電元件(4、5)，其中發(fā)射和/接收元件設置在一個陣列中。
10.如權利要求9所述的裝置，其中控制/分析單元(6)如此控制該陣列中的壓電元件(4、5)，以便得到預先確定的聲束擴張或者期望的孔徑角(γ)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有至少兩個超聲波換能器(2、3)的流量計(1)，超聲波換能器安裝在介質(zhì)(9)沿流動方向(S)流過的容器(7)上，其中超聲波換能器(2、3)沿著流動方向(S)和逆著流動方向(S)交替地發(fā)射和接收超聲波測量信號，并且控制/分析單元(6)根據(jù)沿著流動方向(S)和逆著流動方向(S)傳播的超聲波測量信號的行程時間差確定和/或監(jiān)測在容器(7)中的介質(zhì)(9)的體積流量。根據(jù)本發(fā)明超聲波換能器(2、3)如此構成，使得它們發(fā)射和接收具有大孔徑角(γ)或具有大的聲束擴張的超聲波測量信號或者聲場。
文檔編號G01F1/66GK1711461SQ200380103458
公開日2005年12月21日 申請日期2003年10月15日 優(yōu)先權日2002年10月17日
發(fā)明者托馬斯·弗勒利希, 托爾斯滕·施特龍茨, 阿希姆·維斯特 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司