專利名稱：超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)
本發(fā)明涉及超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)，該超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)包括超聲變換器，該超聲變換器具有至少一個(gè)超聲變換器元件和至少一個(gè)耦合元件，其中，在操作期間，經(jīng)由耦合元件通過超聲變換器元件可發(fā)送和可接收聲信號(hào)，其中，超聲變換器被布置在測(cè)量管中。
超聲變換器通常由機(jī)電變換器元件和耦合層構(gòu)成，該機(jī)電變換器元件例如是壓電元件，也被簡稱為壓電，該耦合層也被稱為耦合楔子或者不經(jīng)常地被稱為引入元件。耦合層在該情況下大多數(shù)時(shí)候由合成材料制造，而壓電元件在工業(yè)過程測(cè)量技術(shù)中通常由壓電陶瓷構(gòu)成。在壓電元件中產(chǎn)生超聲波，并且該超聲經(jīng)由耦合層被引導(dǎo)到管壁并且從那里被引導(dǎo)入液體內(nèi)。
在壓電元件和耦合層之間可以布置另一個(gè)耦合層，所謂的適應(yīng)或匹配層。該適應(yīng)或匹配層在該情況下執(zhí)行發(fā)送超聲信號(hào)并且同時(shí)減小由不同的聲阻抗引起的在兩種材料之間的界面處的反射的功能。
也已知用于斷定在作為被測(cè)介質(zhì)的流體中的顆粒的濃度和/或大小的超聲方法和測(cè)量裝置。因此，US6，481，268示出了具有至少一個(gè)超聲變換器的這樣的測(cè)量裝置。由超聲變換器發(fā)送的超聲信號(hào)被在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒反射回變換器，并且在那里記錄為回波。 一個(gè)實(shí)施例示出在測(cè)量管上彼此相對(duì)地布置的兩個(gè)超聲變換器。這兩個(gè)超聲變換器發(fā)送和 /或接收實(shí)質(zhì)上垂直于測(cè)量管軸線的超聲信號(hào)。另一個(gè)實(shí)施例示出具有被實(shí)施為透鏡的耦合元件的單獨(dú)的超聲變換器，以便將超聲信號(hào)聚焦到測(cè)量管內(nèi)。在該文獻(xiàn)中未提供對(duì)流的測(cè)量。
在另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的專利US5，251，490中，示出了超聲流測(cè)量裝置，其利用多普勒測(cè)量原理來斷定通過測(cè)量管的流。將超聲信號(hào)以被聲透鏡聚焦并且在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒上被反射的波的形式來發(fā)送。該反射在焦點(diǎn)的直接附近最大。從在耦合和反射的波之間的頻移來確定液體的流速。
US5, 533, 408公開了一種使用行程時(shí)間差原理和多普勒原理的組合的超聲流測(cè)量裝置。然而，在這一點(diǎn)上，每種情況具有其本身的傳感器。在超過或未超過預(yù)定測(cè)量值時(shí)， 發(fā)生在兩個(gè)測(cè)量原理的傳感器之間的切換。
W003/102512A1提出了一種用于流動(dòng)的流體的行程時(shí)間差測(cè)量的方法，其中，作為補(bǔ)充，斷定超聲信號(hào)在流體中的顆粒上的反射，以便從其了解顆粒的濃度。在這一點(diǎn)上， 通常提供兩個(gè)超聲變換器來用于行程時(shí)間差測(cè)量，其中，這些超聲變換器的至少一個(gè)是從發(fā)送狀態(tài)迅速地可切換到它可以接收其發(fā)送信號(hào)在流體中的顆粒上的反射的接收狀態(tài)，或者，提供另外的超聲變換器，該另外的超聲變換器被布置為使得它們可以接收該反射。為了斷定在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒的濃度和大小，評(píng)估移動(dòng)顆粒的多普勒頻移。在不移動(dòng)的被測(cè)介質(zhì)中的測(cè)量因此是不可能的。
本發(fā)明的目的是提供一種簡單的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)，利用該超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)， 能夠根據(jù)預(yù)定的數(shù)量級(jí)斷定在被測(cè)介質(zhì)中的每單位時(shí)間的顆粒計(jì)數(shù)和/或顆粒的顆粒大小。
通過權(quán)利要求I、權(quán)利要求11和權(quán)利要求15的主題來實(shí)現(xiàn)該目的。在從屬權(quán)利要求的特征中可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的另外的改進(jìn)和實(shí)施例。
根據(jù)權(quán)利要求I的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)包括至少一個(gè)超聲變換器元件和至少一個(gè)耦合元件，其中，在操作期間，經(jīng)由耦合元件通過超聲變換器元件可發(fā)送和可接收聲信號(hào)。 超聲變換器元件例如在測(cè)量管中被布置為使得聲信號(hào)以例如相對(duì)于測(cè)量管軸線的90°的角度或甚至以更小的角度沿著在測(cè)量管中的至少一個(gè)信號(hào)路徑傳播。耦合元件在該情況下被實(shí)施為聲透鏡。而且，超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)包括評(píng)估單元，該評(píng)估單元適合于對(duì)從顆粒向超聲變換器反射的聲信號(hào)的反射信號(hào)的振幅分析，其中，利用評(píng)估單元，可斷定由超聲變換器接收的反射信號(hào)的振幅的幅值，并且其中，利用評(píng)估單元，可計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間間隔中比預(yù)定閾值大的振幅的數(shù)量。
評(píng)估單元適合于記錄和評(píng)估由超聲變換器元件接收的聲反射信號(hào)的信號(hào)振幅，反射信號(hào)是從由超聲變換器發(fā)送的聲信號(hào)反射回超聲變換器的、在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒的反射信號(hào)。評(píng)估單元因此分析由超聲變換器接收的這些反射信號(hào)的振幅，其中，至少可斷定比預(yù)定閾值大的幅值，并且其中，至少可計(jì)數(shù)它們?cè)陬A(yù)定時(shí)間間隔中的數(shù)量。從接收的反射信號(hào)的大于預(yù)定閾值的振幅斷定在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒的顆粒大小。這經(jīng)由將振幅幅值與顆粒大小相關(guān)聯(lián)而發(fā)生。因此，僅可斷定預(yù)定大小的顆粒。存在顆粒的最小大小以及最大大小兩者。如果存在比最大大小大的顆粒，則在它們的大小上不能再區(qū)分。最大大小實(shí)質(zhì)上源自透鏡的聚焦。從在預(yù)定時(shí)間間隔中接收的反射信號(hào)中的大于預(yù)定閾值的振幅的數(shù)量，斷定在被測(cè)介質(zhì)中的預(yù)定最小大小的顆粒的顆粒濃度。
耦合元件被實(shí)施為聲透鏡，例如被實(shí)施為平凹聲透鏡或聲學(xué)菲涅耳透鏡。耦合元件包括第一接觸表面和至少另一個(gè)第二接觸表面，該第一接觸表面在操作期間接觸被測(cè)介質(zhì)，在該第二接觸表面上布置和緊固了超聲變換器元件。第一接觸表面具有例如具有大于 5_的聲學(xué)有效曲率半徑的輪廓。特別地，這個(gè)聲學(xué)有效曲率半徑大于10_。在一個(gè)實(shí)施例中，聲學(xué)有效曲率半徑達(dá)到最大150mm，特別是最大50mm。曲率半徑取決于測(cè)量管直徑和耦合元件的材料以及被測(cè)介質(zhì)的化學(xué)成分和物理屬性，因?yàn)樘貏e地，聲信號(hào)的傳播速度取決于聲信號(hào)在其中傳播的材料。
透鏡傳統(tǒng)上以至少一個(gè)橢圓或圓表面為邊界。球體具有整體相同的曲率，使得能夠經(jīng)由曲率來限定這樣的透鏡。這對(duì)于橢圓在一定程度上也成立。通過例如菲涅耳透鏡來形成例外。菲涅耳透鏡被劃分為多個(gè)例如環(huán)形部分，環(huán)形部分在截面上可以由棱柱近似。理想上，菲涅耳透鏡的環(huán)形部分形成具有預(yù)定曲率半徑的傳統(tǒng)透鏡的部分。這因此有益地等于聲學(xué)有效曲率半徑。
自然地，透鏡的聲學(xué)有效曲率半徑和焦距經(jīng)由折射率特性彼此組合。這些繼而取決于分別在耦合元件、被測(cè)介質(zhì)中的聲音的速度。
菲涅耳透鏡的優(yōu)點(diǎn)可以是與傳統(tǒng)透鏡相比較的透鏡的低厚度。以這種方式，耦合元件可以被實(shí)施為很薄，由此，它可以通過使兩個(gè)接觸配合件彼此阻抗匹配來作為在被測(cè)介質(zhì)和超聲變換器元件之間的適應(yīng)或匹配層。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)源自菲涅耳透鏡的特殊實(shí)施例。 它具有帶有相應(yīng)高度的單獨(dú)臺(tái)階，臺(tái)階在每種情況下是大約η*λ/2，η是自然數(shù)，并且λ是在透鏡中的聲信號(hào)的波長。透鏡因此實(shí)際上被執(zhí)行為λ/2適應(yīng)或匹配層，這導(dǎo)致與傳統(tǒng)透鏡相比較的改善的聲信號(hào)傳輸。
超聲變換器可以緊固在測(cè)量管中，其中，超聲變換器的耦合元件因此在操作期間接觸被測(cè)介質(zhì)，特別是與其第一接觸表面接觸。因此，這是所謂的內(nèi)聯(lián)(inline)超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)。
本發(fā)明的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)因此特別用在過程工業(yè)的工廠中，特別是在顆粒過濾器后的管線系統(tǒng)中，以用于監(jiān)控過濾器的功能，例如用于診斷是否例如存在小的泄漏或過濾器的滲透率對(duì)于從特定大小起的，例如從I微米直徑起的，顆粒有多大?；谀Ｐ蛠硗茢囝w粒的直徑。實(shí)際上，反射面積對(duì)于反射信號(hào)是決定性的。然而，假定在模型中的顆粒是球體。在該情況下，顆粒不大于100微米，特別地，它們具有不大于10微米的直徑，并且被測(cè)介質(zhì)不比100FNU更渾濁，或者被測(cè)介質(zhì)的混濁度例如小于10FNU。在很渾濁的測(cè)量信號(hào)的情況下，聲信號(hào)可能被吸收，并且流測(cè)量不再可能。因此，僅應(yīng)當(dāng)測(cè)量對(duì)于人眼仍然看起來清楚的介質(zhì)。在此，不要求高度精確的混濁度測(cè)量，本超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)它被根據(jù)本發(fā)明實(shí)施時(shí)可以首先傳遞故障的指示。本發(fā)明的另一種方法是利用被實(shí)施為透鏡的本發(fā)明的至少一個(gè)耦合元件改裝已經(jīng)存在的超聲流測(cè)量系統(tǒng)。在該情況下，一種選擇是將完整的沒有透鏡的超聲變換器更換為本發(fā)明的超聲變換器，或者更換耦合元件。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，在操作期間的預(yù)定閾值的高度是可適應(yīng)的，并且/或者，在超過預(yù)定閾值的情況下，能夠發(fā)出警告。
與混濁度測(cè)量系統(tǒng)相反，使用本發(fā)明的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)，不是根據(jù)用于混濁度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)之一來斷定被測(cè)介質(zhì)的混濁度，而是相反，如上所述，僅根據(jù)在被測(cè)介質(zhì)中出現(xiàn)的、從特定大小起的顆粒的頻率來確定被測(cè)介質(zhì)的混濁度。因此，它比混濁度測(cè)量裝置更多地涉及顆粒計(jì)數(shù)器。因?yàn)樵u(píng)估在顆粒上的反射的振幅以用于顆粒測(cè)量，而不必計(jì)算多普勒頻移，所以在很慢流動(dòng)的介質(zhì)的情況下，甚至在靜止的介質(zhì)的情況下，顆粒也是理論上是可測(cè)量的。
通過借助聲透鏡的聚焦，僅在測(cè)量管中的被測(cè)介質(zhì)的小體積的流中確定顆粒。這個(gè)體積取決于透鏡的聲學(xué)有效曲率半徑R0C、在透鏡中的聲音的速度Ctos和被測(cè)介質(zhì)中的聲音的速度Cifedium與聲信號(hào)的波長Xsfediu^該體積在該情況下可以被假定為例如圓柱的，并且因而被稱為聚焦管。在焦點(diǎn)周圍的這個(gè)聚焦管的半徑可以被例如表達(dá)為
權(quán)利要求
1.超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(1)，包括超聲變換器(2)，所述超聲變換器(2)具有至少一個(gè)超聲變換器元件(4)和至少一個(gè)耦合元件(5)，其中，在操作期間，經(jīng)由所述耦合元件(5)通過所述超聲變換器元件(4 )可發(fā)送和可接收聲信號(hào)，其中，所述耦合元件(5 )被實(shí)施為聲透鏡，并且其中，所述超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)進(jìn)一步包括評(píng)估單元，所述評(píng)估單元適合于對(duì)從顆粒向所述超聲變換器(2)反射的聲信號(hào)的反射信號(hào)的振幅分析，其中，利用所述評(píng)估單元，可計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間間隔中比預(yù)定閾值大的反射信號(hào)的振幅， 其特征在于， 所述超聲變換器元件(4)適合于發(fā)送第一頻率的第一聲信號(hào)，并且所述超聲變換器元件(4)適合于發(fā)送第二頻率的第二聲信號(hào)，并且所述超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)具有控制單元，所述控制單元適合于激勵(lì)所述超聲變換器元件(4)以發(fā)送所述第一聲信號(hào)并且用于激勵(lì)所述超聲變換器元件(4)以發(fā)送所述第二聲信號(hào)，其中，所述第一頻率與所述第二頻率不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 所述第一頻率達(dá)到至少2MHz，并且所述第二頻率達(dá)到至多10MHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 所述超聲變換器(4 )被布置在測(cè)量管(8 )中，并且，用于沿著共享的信號(hào)路徑(9 )來發(fā)送所述第一聲信號(hào)和所述第二聲信號(hào)的所述超聲變換器(4)被激勵(lì)為使得所述信號(hào)路徑(9)相對(duì)于測(cè)量管軸線具有90°的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于， 所述超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)被實(shí)施為使得所述聲透鏡在水狀被測(cè)介質(zhì)中的焦距與所述測(cè)量管的直徑的比率達(dá)到至少0. 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)被實(shí)施為平凹聲透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)被實(shí)施為聲學(xué)菲涅耳透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)是由聚合物制造的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 所述超聲變換器元件(4)直接地粘附到所述耦合元件(5)的第二接觸表面(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)， 其特征在于 所述第一頻率和所述第二頻率是可調(diào)整的。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)，其特征在于 所述測(cè)量管(8)具有至少20mm的直徑的大體圓形的截面。
11.用于利用在測(cè)量管(8)中布置的超聲變換器(2)來記錄在被測(cè)介質(zhì)中的顆粒的方法，其中，通過所述超聲變換器(2)來產(chǎn)生聲信號(hào)以借助從所述顆粒向所述超聲變換器反射的所述聲信號(hào)的反射信號(hào)的振幅分析來記錄在所述被測(cè)介質(zhì)中的顆粒，其中，經(jīng)由聲透鏡來聚焦至少由所述超聲變換器(2)產(chǎn)生的所述聲信號(hào)， 其特征在于， 由所述超聲變換器(2)產(chǎn)生的所述聲信號(hào)的頻率根據(jù)預(yù)定規(guī)格而被設(shè)置在預(yù)定頻率范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法， 其特征在于， 在所述被測(cè)介質(zhì)中的所述顆粒的顆粒大小被從接收的大于預(yù)定閾值的所述反射信號(hào)的振幅來斷定，其中，在所述被測(cè)介質(zhì)中的顆粒濃度被從在預(yù)定時(shí)間間隔中接收的具有比所述預(yù)定閾值大的振幅的反射信號(hào)的振幅的數(shù)量來斷定。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法， 其特征在于 所述閾值被根據(jù)由所述超聲變換器(2)產(chǎn)生的所述聲信號(hào)的頻率來預(yù)定。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 所述超聲變換器(2)被激勵(lì)以用于發(fā)送具有大于2MHz的頻率的所述聲信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求I至10中的一項(xiàng)所述的超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)的用途， 其特征在于 所述超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(I)被布置在管線系統(tǒng)中顆粒過濾器的下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(1)，包括超聲變換器(2)，其具有至少一個(gè)超聲變換器元件(4)和至少一個(gè)耦合元件(5)，其中，在操作期間，經(jīng)由耦合元件(5)通過超聲變換器元件(4)能夠發(fā)射和接收聲信號(hào)。耦合元件(5)被設(shè)計(jì)為聲透鏡，并且超聲顆粒測(cè)量系統(tǒng)(1)包括評(píng)估單元，該評(píng)估單元適合于分析由顆粒向超聲變換器(2)反射的聲信號(hào)的反射信號(hào)的振幅，其中，評(píng)估單元被用來計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間間隔中比預(yù)定閾值大的反射信號(hào)的振幅的數(shù)量。
文檔編號(hào)G01N29/02GK102985816SQ201180033874
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者林遙嬰, 比特·基斯林, 沃爾夫?qū)さ吕漳? 托馬斯·弗勒利希 申請(qǐng)人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司