超聲波測量的制作方法
【專利摘要】流體10被包含在腔12內(nèi)。腔壁14具有暴露到所述流體10的內(nèi)表面16和通過所述壁14的材料20與所述內(nèi)表面18分開的外表面18。超聲22被引入到所述材料20中。所述超聲22通過所述體20的飛行時間的測量允許進(jìn)行所述流體10的所述壓力的測量。
【專利說明】超聲波測量

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲波測量并且特別地，但非專有地，涉及用于通過超聲進(jìn)行測量的方法和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲由機(jī)械干擾波組成，該機(jī)械干擾波通過材料體以比人類聽覺的典型上限頻率(大約20kHz)更高的頻率而傳播。超聲波將通過許多不同材料而傳播,材料包括流體(液體或氣體)以及固體。特別地，超聲典型地通過許多金屬體更好的傳播。超聲將在體的表面處和不同材料之間的界面處反射。通過材料傳播的超聲波的速度取決于材料的物理學(xué)，并通常被稱為聲速或音速。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的實(shí)例提供一種測量含有流體的壓力的方法，所述流體被包含在至少部分地通過壁而被限定的腔中，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面，和通過所述壁的材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述方法包含:
[0004]在引入位置處將超聲引入到所述壁的所述材料中；
[0005]在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料到檢測位置后，檢測所述超聲；
[0006]測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的飛行時間；
[0007]以及提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處所述流體壓力的測量。
[0008]通過比較所述飛行時間測量與先前標(biāo)定(calibrated)的流體壓力和飛行時間的測量，提供所述流體壓力測量。
[0009]所述超聲在一個表面處被引入并行進(jìn)到另一表面。所述超聲被從另一表面反射并在所述一個表面處被檢測。在所述外表面處弓I入所述超聲。
[0010]所述壁的所述材料為金屬。所述壁和腔形成機(jī)器的部分或機(jī)器部件。所述機(jī)器或機(jī)器部件包含燃燒腔、軸承、齒輪箱以及凸輪裝置。所述流體為潤滑劑、壓縮流體或致動器流體(actuator fluid)中的一個或多個。
[0011]本發(fā)明的其它實(shí)例提供包含腔的設(shè)備，所述腔在使用中包含流體，所述腔至少部分地通過壁而被限定，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面，和通過所述壁的所述材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述設(shè)備進(jìn)一步包含:
[0012]超聲換能器裝置，操作為引入位置處將超聲引入到所述壁的所述材料中，并且在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料到檢測位置之后，檢測所述超聲波；以及
[0013]控制裝置，操作為測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的所述飛行時間，并且提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處的所述流體壓力的測量。
[0014]通過比較所述飛行時間測量與先前標(biāo)定的流體壓力和飛行時間的測量，提供所述流體壓力測量。
[0015]所述超聲在一個表面處被引入并行進(jìn)到另一表面。所述超聲從所述另一表面反射并在所述一個表面處被檢測。在所述外表面處弓I入所述超聲。
[0016]所述壁的所述材料為金屬。所述壁和腔形成機(jī)器的部分或機(jī)器部件。所述機(jī)器或機(jī)器部件包含一個或多個燃燒腔、軸承、齒輪箱以及凸輪裝置。所述流體為潤滑劑、壓縮流體或致動器流體。
[0017]本發(fā)明的實(shí)例還提供用于和腔一起使用的裝置，所述腔在使用中包含流體，所述腔至少部分地通過壁而被限定，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面，和通過所述壁的所述材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述設(shè)備包含:
[0018]超聲換能器裝置，所述超聲換能器裝置操作為在引入位置處將超聲波引入到所述壁的所述材料中，并且
[0019]在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料到檢測位置之后，檢測所述超聲；以及
[0020]控制裝置，操作為測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的所述飛行時間，并且提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處的所述流體壓力的測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發(fā)明的實(shí)例將僅通過實(shí)例的方式并參考附圖被更具體地描述，其中:
[0022]圖1為在材料體中傳播的超聲的高度簡化的和示意的圖；
[0023]圖2對應(yīng)圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例的測量方法；
[0024]圖3為通過用以演示本發(fā)明的實(shí)例的實(shí)驗(yàn)裝置的簡單剖面圖；
[0025]圖4為從圖3的實(shí)驗(yàn)裝置獲得的流體壓力測量的繪圖；
[0026]圖5示出使用機(jī)器的流體膜軸承的本發(fā)明的實(shí)例；以及
[0027]圖6示出使用機(jī)器的燃燒腔的本發(fā)明的實(shí)例。

【具體實(shí)施方式】
[0028]綜述
[0029]圖1為示出包含在腔12內(nèi)的流體10(斜線陰影)簡圖。圖1中沒有示出整個腔12。腔通過壁14而至少部分地被限定，壁14具有暴露到在腔12內(nèi)的流體10的內(nèi)表面16。壁14還具有通過該壁的材料20與內(nèi)表面16分開的外表面18。
[0030]以22表示超聲脈沖。在外表面18上的引入位置A處通過換能器(未在圖1中示出)產(chǎn)生超聲波，并示出傳播通過體20至在內(nèi)表面16上的檢測位置B。下列描述說明了超聲22通過體20 (壁14的材料)的飛行(flight)時間取決于材料的性質(zhì)和體20的環(huán)境條件。特別地，從引入位置到檢測位置的飛行時間取決于在內(nèi)表面16上通過流體10施加的壓力。相應(yīng)地，實(shí)例演示在內(nèi)表面16處流體壓力的測量的提供，作為通過體20的超聲22的飛行時間測量的函數(shù)。
[0031]特別地，可以通過比較飛行時間測量與先前標(biāo)定的流體壓力和飛行時間的測量，而提供流體壓力測量。還針對溫度或引起在飛行時間中的改變的任何其它影響，而標(biāo)定先前標(biāo)定的測量。這些問題的進(jìn)一步說明結(jié)合圖3在下文陳述。
[0032]實(shí)例I
[0033]在圖2的實(shí)例中，通過各自的換能器24、26產(chǎn)生和檢測超聲22。發(fā)射器24和接收器26均位于外表面18處。發(fā)射器24將超聲引入到體20中，以跨該體傳播到內(nèi)表面16，然后在傳播返回到接收器26用于檢測之前，從內(nèi)表面16反射。這允許進(jìn)行從在發(fā)射器24處的引入位置跨到內(nèi)表面16并返回到在接收器26處的檢測位置的整個飛行時間的測量。
[0034]在該實(shí)例中，體20為金屬，諸如，不銹鋼。換能器為接合到外表面18的區(qū)域的1MHz超聲換能器，該外表面18具有給定的鏡面飾面(finish)以允許低噪音超聲被引入到體20中并從體20檢測。實(shí)例包括壓電換能器。
[0035]發(fā)射器24和接收器26與控制裝置28連接，控制裝置28由定制的電子電路或適當(dāng)?shù)鼐幊痰耐ㄓ糜?jì)算機(jī)組成，控制裝置28通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐放c發(fā)射器24和接收器26通信?？刂蒲b置28的操作在討論圖3之后將被進(jìn)一步描述。
[0036]圖3示出包含在32處暴露于壓力P的流體的理想化的腔30。腔30具有可為不銹鋼的端壁34。端壁34具有通過在圖3中的實(shí)線表示的松弛形式，該松弛形式并被壓力P機(jī)械地影響。當(dāng)受到壓力時，通過在圖3中的虛線高度夸張地表示端壁34的形式的一個實(shí)例。
[0037]在壓力P的施加之前，當(dāng)端壁34處于松弛的狀態(tài)中，在該實(shí)例中的內(nèi)表面36和外表面38均為平坦并平行的。當(dāng)施加附加的壓力P時，跨壁34出現(xiàn)壓差。這被示為導(dǎo)致壁34的表面36、38的變形。這在端壁34的材料內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。在其它實(shí)例中，一個表面36、38變形，而另一個不變形。作為壁34的材料的壓縮的結(jié)果，壁34 (表面36、38的分隔)的厚度改變，形狀改變或不改變。
[0038]變形或壓縮以類似方式也機(jī)械地影響側(cè)壁40，但為簡單起見，沒有在圖3中將此示出。
[0039]與圖2中示出的那些相對應(yīng)，端壁34被提供有發(fā)射器24和接收器26。因此，通過考慮圖2和上文描述，可以看出，在圖3中的發(fā)射器24可以在外表面38處將超聲引入到壁34的材料內(nèi)，該超聲波然后傳播通過端壁34到內(nèi)表面36，并且然后通過端壁34的體反射回到接收器26。這允許進(jìn)行在通過從內(nèi)表面36的反射從發(fā)射器24到接收器26的整個飛行時間的測量。
[0040]我們發(fā)現(xiàn)以這種方式測量的飛行時間將隨著壓力P的改變而改變。圖4示出具有圖3的幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置的測量的結(jié)果，其中壓力P是可以被控制的。對腔30維持恒溫，同時捕獲在圖4中示出的數(shù)據(jù)。水平軸代表時間。反復(fù)進(jìn)行飛行時間的測量，在圖4的繪圖上產(chǎn)生水平痕跡。周期性地，在裝置內(nèi)的壓力被改變。如從圖4的痕跡中的階躍改變可以看到的，每次這均導(dǎo)致在測量的飛行時間中的階躍改變。在該裝置內(nèi)的壓力被示為圖4的繪圖的鄰近的每個階躍P1、P2等。應(yīng)當(dāng)注意，以重復(fù)的方式，可以改變壓力以增加或減少飛行時間，表明現(xiàn)象基于彈性改變而不是塑性變形。
[0041]現(xiàn)在回到圖2，可以理解，如果實(shí)驗(yàn)裝置(從該實(shí)驗(yàn)裝置收集數(shù)據(jù))在所有有關(guān)方面(材料、幾何結(jié)構(gòu)、溫度以及其它參數(shù))對應(yīng)于在圖2中的環(huán)境(在該環(huán)境中使用設(shè)備)，圖4示出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以被用于在圖2中示出的裝置中進(jìn)行的標(biāo)定的測量。備選地，通過從圖2的裝置獲取的標(biāo)定測量，獲得標(biāo)定數(shù)據(jù)，同時壓力P為可控的和已知的。對應(yīng)于圖4的標(biāo)定數(shù)據(jù)在42處存儲為通過控制裝置28可訪問的?？刂蒲b置28能夠通過指示發(fā)射器24將超聲引入到體20中，并且對于接收器26以收聽從內(nèi)表面16接收的回聲，來初始化測量。這允許控制裝置28測量跨體20并回到接收器26的飛行時間。然后通過控制裝置28，比較測量的飛行時間與在42處的標(biāo)定數(shù)據(jù)，以便提供在內(nèi)表面16處的流體壓力的測量，作為飛行時間測量的函數(shù)。在標(biāo)定數(shù)據(jù)42也被針對諸如溫度的其它參數(shù)而標(biāo)定的情況下，有必要從諸如溫度傳感器44的適當(dāng)?shù)膫鞲衅飨蚩刂蒲b置28提供附加信息。
[0042]解釋性討論
[0043]回到圖3，上文已經(jīng)注意到，隨著壓力P增加，端壁34通過向外膨脹變形，在壁34的材料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。在諸如金屬(例如，不銹鋼)的材料內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)理解為影響超聲的聲速。因此，在材料內(nèi)的壓力被期望為引起穿越在內(nèi)表面36與外表面38之間的壁34的超聲的飛行時間的改變的因素。在圖3的情況下，通過壓力P施加的壓縮力也將具有壓縮壁34的材料的的影響，因此減少壁34的厚度。這將減少用于超聲穿過壁的厚度(在外表面38與內(nèi)表面36之間)的路徑長度。因此，壁厚度的壓縮為導(dǎo)致跨在內(nèi)表面36與外表面38之間的壁34的超聲的飛行時間的減少的因素。
[0044]我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在加壓的流體被金屬壁包含的許多實(shí)際情況中，在流體壓力中的改變將導(dǎo)致在材料應(yīng)力和壁厚度的這兩個因素中的改變。這些因素均被理解為影響飛行時間。還有也隨流體壓力改變而影響飛行時間的其它因素。改變將發(fā)生在難以識別、計(jì)算或建模的特別情況中，但是在許多實(shí)際情況中將為可測量的。如上文描述進(jìn)行的并且然后被記錄用于將來參考的的標(biāo)定測量，將允許在飛行時間中的可測量的改變被用于測量流體壓力。相應(yīng)地，雖然在圖3中示出的幾何結(jié)構(gòu)將比在機(jī)器或機(jī)器部件內(nèi)實(shí)際上遇到的許多幾何結(jié)構(gòu)簡單得多，然而我們相信，上文描述的原理將仍然適用，特別地如果進(jìn)行標(biāo)定測量并且如果可以影響飛行時間的其它因素(諸如溫度)被保持不變或被并入到標(biāo)定數(shù)據(jù)內(nèi)。
[0045]軸承(bearing)
[0046]剩余的附圖示出可以應(yīng)用上文描述的原理的實(shí)際情況的實(shí)例。圖5示出軸承46的部分的截面圖，該軸承46具有第一軸承部件48和第二軸承部件50。這些分別具有在使用期間相對彼此移動的表面52、54，并通過潤滑流體56潤滑。在使用期間，流體56將受到壓力。因此，流體56將施加壓力到第一軸承部件48，導(dǎo)致第一部件48受到相對于圖3的上文描述的方式的影響。相應(yīng)地，發(fā)射器24和接收器26的使用將允許超聲22被引入到第一部件48中，以便以上文描述的方式測量流體56的壓力。為清楚起見，從圖5中省去了控制裝置28和相關(guān)的結(jié)構(gòu)。
[0047]燃燒腔
[0048]在圖6中示出實(shí)際實(shí)施的另一實(shí)例。其示出在燃燒腔60中的燃燒氣體58(由剖面線示出)。如箭頭62所指示的，燃燒氣體58可流動。在燃燒腔壁64的內(nèi)表面16上施加燃燒氣體58的壓力。因此，在壁64的外表面18處可以再次使用發(fā)射器24和接收器26，以便測量在腔60內(nèi)的燃燒氣體58的壓力。在該實(shí)例中，在燃燒腔60內(nèi)的可能的高的并可變的溫度將會使得，期望在各種不同的溫度進(jìn)行標(biāo)定測量，并期望控制裝置28 (未在圖6中示出)被提供有來自適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?未示出)的數(shù)據(jù)。用于溫度改變的標(biāo)定被預(yù)期為，在下面情況中更簡單得實(shí)現(xiàn)，其中在腔壁64中導(dǎo)熱系數(shù)的速率比通過壓力改變引起的應(yīng)力傳播的速率慢得多。
[0049]結(jié)束語
[0050]我們期望，典型地用于制造機(jī)器和機(jī)器部件的在金屬中的高頻率和高速度的超聲，將允許以上文描述的方式進(jìn)行壓力測量，充分精確以允許壓力測量被用于實(shí)時的各種監(jiān)視和控制目的，同時機(jī)器或機(jī)器部件在使用中。
[0051]沒有脫離本發(fā)明的范圍下，可以對上文描述的設(shè)備進(jìn)行許多變化和修改。已經(jīng)在若干不同實(shí)例中描述了金屬體。金屬可為不同材料的多層。例如，軸承典型地由不同材料的多層構(gòu)成。它們可為三金屬(諸如鐵/銅/鉛)。在本說明書中術(shù)語“金屬”的使用旨在包括金屬合金。其它材料可以被使用。
[0052]單獨(dú)的換能器已經(jīng)被描述用于超聲傳輸和接收。單換能器可以備選地使用(作為收發(fā)器)。在那樣的情況下，引入位置和檢測位置將為相同的。
[0053]然而，在上文說明書中的努力吸引注意力到被相信為特別重要的本發(fā)明的那些特征，應(yīng)當(dāng)理解， 申請人:要求保護(hù)關(guān)于在上文中提及的和/或在附圖中示出的不論是否已經(jīng)在上面特別強(qiáng)調(diào)的任何可獲得專利的特征或特征的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種測量包含的流體的壓力的方法，所述流體被包含在至少部分地通過壁而被限定的腔中，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面和通過所述壁的材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述方法包括: 在引入位置處將超聲引入到所述壁的所述材料中； 在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料至檢測位置處后，檢測所述超聲； 測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的飛行時間；以及 提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處的所述流體壓力的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過比較所述飛行時間測量與先前標(biāo)定的流體壓力和飛行時間的測量，提供所述流體壓力測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述超聲被在一個表面處引入并行進(jìn)到另一表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述超聲被從所述另一表面反射并在所述一個表面處被檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，在所述外表面處引入所述超聲。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壁的所述材料為金屬。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壁和腔形成機(jī)器的部分或機(jī)器部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述機(jī)器或機(jī)器部件包含燃燒腔、軸承、齒輪箱以及凸輪裝置中的一個或多個。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述流體為潤滑劑、壓縮流體或致動器流體。
10.一種包含在使用中包含流體的腔的設(shè)備，所述腔至少部分地通過壁而被限定，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面和通過所述壁的所述材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述設(shè)備進(jìn)一步包含: 超聲換能器裝置，操作為在引入位置處將超聲引入到所述壁的所述材料中，并且在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料到檢測位置之后，檢測所述超聲；以及 控制裝置，操作為測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的所述飛行時間，并且提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處的所述流體壓力的測量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，通過比較所述飛行時間測量與先前標(biāo)定的流體壓力和飛行時間的測量，所述控制裝置提供所述流體壓力測量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其中，所述超聲換能器裝置操作為在一個表面處引入并行進(jìn)到另一表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述超聲換能器裝置操作為導(dǎo)致超聲從所述另一表面反射并在所述一個表面處被檢測。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，其中，所述超聲換能器裝置操作為在所述外表面處引入超聲。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述壁的所述材料為金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求10到15中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述壁和腔形成機(jī)器的部分或機(jī)器部件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，所述機(jī)器或機(jī)器部件包括燃燒腔、軸承、齒輪箱以及凸輪裝置中的一個或多個。
18.根據(jù)權(quán)利要求10到17中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述流體為潤滑劑、壓縮流體或致動器流體。
19.一種用于腔的設(shè)備，所述腔在使用中包含流體，所述腔至少部分地通過壁而被限定，所述壁具有暴露到在所述腔內(nèi)的所述流體的內(nèi)表面，和通過所述壁的所述材料與所述內(nèi)表面分開的外表面，所述設(shè)備包括: 超聲換能器裝置，所述超聲換能器裝置操作為在引入位置處將超聲引入到所述壁的所述材料中，并且 在所述超聲經(jīng)過所述壁的所述材料到檢測位置之后，檢測所述超聲；以及 控制裝置，所述控制裝置操作為測量所述檢測的超聲從所述引入位置到所述檢測位置的所述飛行時間，并且提供作為所述測量的飛行時間的函數(shù)的在所述內(nèi)表面處的所述流體壓力的測量。
20.—種基本上如上文參考附圖描述的方法。
21.—種基本上如上文參考附圖描述的設(shè)備。
【文檔編號】G01L11/06GK104380068SQ201380033416
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】O·史密斯, M·R·薩頓 申請人:盧布里佐爾公司