用于確定流速的超聲波測(cè)量裝置和方法
【專利說(shuō)明】用于確定流速的超聲波測(cè)量裝置和方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1或12的前序部分所述的、用于確定在管路中流動(dòng)的 流體流速的超聲波測(cè)量裝置和方法。
[0002] 已知不同的測(cè)量原理以基于超聲波確定流速或流量。多普勒法是對(duì)流動(dòng)的流體上 反射的超聲波信號(hào)的、根據(jù)流速有所不同的頻移來(lái)進(jìn)行分析。傳播時(shí)間差法是將一對(duì)超聲 波換能器安裝在管路的外圓周上且在縱向方向上具有相對(duì)于彼此的位移，所述超聲波換能 器與沿測(cè)量路徑的流成橫向并相互發(fā)射和記錄超聲波信號(hào)，其中所述測(cè)量路徑在超聲波換 能器之間延伸。由流體輸送的超聲波信號(hào)根據(jù)傳播方向通過(guò)流來(lái)加強(qiáng)或減弱。將得到的傳 播時(shí)間差用幾何量換算成流體的平均流速。再通過(guò)截面積從平均流速獲悉體積流或通量。 為了測(cè)量得更精確也可布置多個(gè)測(cè)量路徑，所述測(cè)量路徑分別具有一對(duì)超聲波換能器，以 便獲得在多于一個(gè)點(diǎn)處的流截面。
[0003] 為產(chǎn)生超聲而使用的超聲波換能器具有振動(dòng)體，通常為陶瓷。例如在壓電效應(yīng)的 基礎(chǔ)上，借助于振動(dòng)體將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，反之亦然。根據(jù)應(yīng)用，超聲波換能器被用作 聲源、聲音檢測(cè)器、或兩者兼而有之。
[0004] 在這種情況下，必須確保流體和超聲換能器之間的耦合。一種常見(jiàn)的解決方案在 于，使超聲波換能器伸入管路與流體直接接觸。但是用這種方式浸入的超聲換能器會(huì)遭受 到流體及其壓力和溫度的影響，從而有可能損壞。相反，換能器可能會(huì)擾亂流并因此影響測(cè) 量的準(zhǔn)確性。
[0005] 在一些應(yīng)用中，特別是在衛(wèi)生領(lǐng)域中存在以下要求，即在內(nèi)壁上提供盡量不讓流 體進(jìn)入的閉合表面，以避免沉積并且有可能完全清洗干凈。但是在具有金屬或不銹鋼通道 (這些通道原則上適合所述應(yīng)用）的傳統(tǒng)超聲波裝置中，還要將超聲波換能器安裝入這些 通道并借助橡膠密封件來(lái)進(jìn)行聲學(xué)和機(jī)械的分離。由于清潔劑有腐蝕性，因此要定期更換 密封件，并會(huì)由此導(dǎo)致產(chǎn)生維護(hù)費(fèi)用和停機(jī)時(shí)間。此外，還可在由于超聲換能器和其支架所 引起的不平整處形成永久性的污物沉積。
[0006] 原則上也已知的技術(shù)是，其中內(nèi)壁是完全封閉的。例如US 4 467 659就描述了這 種所謂的夾合式安裝（Clamp-On-Montage)，用該安裝方式將超聲波換能器從外部固定到管 路上。EP 1 378 272B1提出將產(chǎn)生超聲波的元件固定在壁的外側(cè)。與夾合式技術(shù)不同的 是，在這種情況下壁被用作膜，其在超聲波換能器區(qū)域中構(gòu)成比其余壁的壁厚小得多的袋 狀物。這也稱之為壓緊式的安裝在一定程度上是在管路內(nèi)部區(qū)域的剛性安裝和夾合式安裝 的中間形式。
[0007] 為了用所述技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的超聲親入（Ultraschalleinkopplung)，需要將超聲 換能器緊密安裝在管路上，從而使得超聲波換能器至少是近似垂直安裝的。但是這會(huì)導(dǎo)致 超聲路徑很陡，因此所述超聲路徑通過(guò)導(dǎo)管時(shí)只稍微偏離垂直線并因此幾乎不會(huì)比管路的 直徑長(zhǎng)。恰好在管路的公稱內(nèi)徑（Nennweite)較小的情況下，對(duì)于要獲得高的測(cè)量精度而 言超聲路徑太短，這是因?yàn)槔缭趥鞑r(shí)間差法中出現(xiàn)的時(shí)差過(guò)短。還可考慮的是，首先將 超聲垂直耦入，然后借助反射器來(lái)實(shí)現(xiàn)更平的或者甚至與流平行的發(fā)射角度。但是反射器 及其支架對(duì)于流而言是巨大的干擾因素，此外在這些位置處可能會(huì)形成永久性沉積。
[0008] 因此，本發(fā)明的任務(wù)在于在衛(wèi)生范圍內(nèi)提高超聲測(cè)量的精度。
[0009] 該任務(wù)通過(guò)如權(quán)利要求1或12所述的、用于確定管路中流動(dòng)的流體的流速的超聲 波測(cè)量裝置和方法得以實(shí)現(xiàn)。其中根據(jù)前述夾緊原理來(lái)安裝超聲波換能器。在這種情況 下，將超聲波換能器的振動(dòng)體耦合在通道壁的部分區(qū)域，特別是通過(guò)直接接觸來(lái)耦合，在直 接接觸時(shí)振動(dòng)體位于所述部分區(qū)域上且若有必要用彈簧力或類(lèi)似力來(lái)壓緊。本發(fā)明的基本 思想在于，為布置超聲波換能器提供額外的自由度，方式是將伸入流動(dòng)通道中的隆起部安 裝在通道壁中。由此一來(lái)有可能的是，借助所述隆起部的幾何形狀來(lái)選擇超聲波換能器的 方向且仍繼續(xù)將通道壁的所述部分區(qū)域用作膜。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)⑸烊肓髦械某暡〒Q能器的壓緊式安裝和自由安裝這 兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。因此會(huì)給流體提供完全閉合的、光滑的內(nèi)表面，該內(nèi)表面會(huì)防止沉積 并允許簡(jiǎn)單的、徹底的清洗。同時(shí)，超聲波換能器在隆起部的設(shè)計(jì)方面實(shí)際上是可以任意取 向的。這樣一來(lái)，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的通過(guò)流的測(cè)量路徑，并從而實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度。
[0011] 優(yōu)選按相對(duì)于流體的流動(dòng)方向平的發(fā)射角度來(lái)布置超聲波換能器。在此處，發(fā)射 角也指入射角，這取決于超聲波換能器是用作發(fā)射器還是用作接收器。平的發(fā)射角特別是 指不大于25°的，不大于10°的或者甚至不大于5°的角。為此，作用相當(dāng)于膜的通道壁 的部分，其優(yōu)選作為隆起部的邊緣幾乎與管路的縱向軸垂直，即實(shí)際上差角為直角和平的 入射角。由平的入射角生成相應(yīng)的平的超聲路徑，盡管幾何空間條件受限但所述超聲路徑 (特別在管路的公稱內(nèi)徑較小時(shí)）可以足夠長(zhǎng)。
[0012] 超聲波換能器優(yōu)選布置在通道壁的空腔中，其向外開(kāi)口且在向內(nèi)通向流動(dòng)通道方 向具有所述部分區(qū)域。所述空腔可以說(shuō)是隆起部的內(nèi)部，即在隆起部的區(qū)域中的通道壁的 遠(yuǎn)離流動(dòng)通道的那一側(cè)，其中可將超聲波換能器從外部安裝進(jìn)所述區(qū)域（壓緊法）。至少在 所述部分區(qū)域中，空腔或隆起部的通道壁的材料少于其它通道壁，也就是說(shuō)其是薄壁的。這 符合了作為超聲波換能器的膜的所期望的功能。
[0013] 隆起部?jī)?yōu)選在管路的縱向方向上依次具有被倒圓的流引導(dǎo)區(qū)域和所述部分區(qū)域。 所述部分區(qū)域是影響隆起部的重要原因，即使得其取向獨(dú)立于余下的通道壁的取向并因此 例如可得到平的入射角。流引導(dǎo)區(qū)域的用途在于，盡量進(jìn)一步減少伸入流動(dòng)通道中的、作為 流障礙物的隆起部的作用，或者盡管有隆起部但是會(huì)確保流盡量均勻。其目的在于，通過(guò)流 的測(cè)量路徑實(shí)際上代表了全部流，以便實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量。
[0014] 流引導(dǎo)區(qū)域被優(yōu)選構(gòu)造成平緩上升的且所述部分區(qū)域被構(gòu)造成陡峭下降的。平緩 上升確保流的干擾盡量少。隆起部在陡峭下降的所述部分區(qū)域中形成相對(duì)于管路的中心軸 幾乎垂直的壁，從而使得所述部分區(qū)域可用作膜，其用于以平的角發(fā)射或接收的超聲。特別 是上面就發(fā)射角所提到的有利的數(shù)值范圍適用于術(shù)語(yǔ)平的和陡峭下降。所述部分區(qū)域可以 是原來(lái)的通道壁或隆起部的組成部分?？蛇x地，例如將膜事先從板中切割下來(lái)，在隆起部的 陡峭下降的區(qū)域中切出開(kāi)口并將膜焊接在此處。結(jié)果是在兩種情況下，測(cè)量體的內(nèi)表面都 是封閉的。
[0015] 在所述部分區(qū)域下面，與流引導(dǎo)區(qū)域相對(duì)，通道壁優(yōu)選具有平緩上升的凹口。如此 一來(lái)，所述部分區(qū)域嵌入布置在隆起部前面或后面的通道壁中。隨著與隆起部之間的間距 不斷增加，凹口緩慢地引導(dǎo)下降的水平面（盡量減少對(duì)流的干擾）又重新回到其它通道壁 的水平位置。所述凹口例如在橫截面中具有u形輪廓，其深度隨著到膜的距離增加而逐步 減小，并隨后過(guò)渡到管路的輪廓。
[0016] 在管路的橫截面上看來(lái)，隆起部?jī)?yōu)選在中間具有突起部。因此，該隆起部并不是在 流中的簡(jiǎn)單的斜面（所述簡(jiǎn)單的斜面在橫截面上看是水平延伸），而是在橫截面中構(gòu)成一 種在其中間有一最高的突起的輪廓。由此一來(lái)流體不僅從所述隆起部上方流過(guò)，而且也可 以從其側(cè)面流過(guò)。
[0017] 在管路的橫截面上看來(lái)，隆起部?jī)?yōu)選具有被倒圓的、波浪狀的W形輪廓，該W形輪 廓在中間具有突起部。因此可借助W形輪廓來(lái)引導(dǎo)側(cè)面流過(guò)的流體，以盡量減少對(duì)流的干 擾。
[0018] 測(cè)量體優(yōu)選具有先逐漸變細(xì)而后又重新變寬的流區(qū)域。因此，該流區(qū)域具有瓶頸 (Engstelle)或換句話說(shuō)其被構(gòu)造成文丘里通道。這種幾何結(jié)構(gòu)（不同于前述章節(jié)）涉及 的是管路的縱向方向，而不是管路的橫方向。至少測(cè)量路徑的絕大部分在流區(qū)域中延伸，因 此這里應(yīng)該已經(jīng)構(gòu)成了可重復(fù)的流。橫截面上測(cè)量路徑接觸到的點(diǎn)越有代表性，則流量的 測(cè)量就越精確。
[0019] 流區(qū)域的通道壁優(yōu)選繼續(xù)凹口的坡度。接著通道壁平滑且切向上升，從而使得流 不間斷地從凹口流出直至到達(dá)文丘里通道的瓶頸中。
[0020] 優(yōu)選的是布置至少兩個(gè)關(guān)于流通道截面而言相對(duì)的超聲波換能器，這些超聲波換 能器相互交替用作發(fā)射器和接收器并且在兩者間形成測(cè)量路徑，用于確定關(guān)于順著和逆著 流體的流發(fā)射的超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間差。因此將超聲波測(cè)量裝置設(shè)計(jì)用于傳播時(shí)間差 法。"相對(duì)"的意思是，測(cè)量路