[发明专利]超声波流量计

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于流量测量的超声波流量测量装置，并且包括：测量管，其具有直的测量管轴线；发射器，用于发射第一信号路径上的声学信号；接收器，用于接收第一信号路径上的声学信号；和第一反射面，第一信号路径上的声学信号在该第一反射面上反射，其中入射在第一反射面上的声学信号沿第一直线传播，该第一直线具有与测量管轴线的第一间距。

背景技术

在过程和自动控制技术中广泛应用超声波流量测量装置。它们使得易于确定管道内的体积流量和/或质量流量。

已知的超声波流量测量装置通常根据行程时间差原理工作。在行程时间差原理中，根据波在流动液体中行进的方向评估超声波，尤其是超声波脉冲，即所谓的突发脉冲的不同行程时间。为了该目的，以与流以及与流相对的特定角度向管轴线发送超声波脉冲。通过行程时间差能够确定流速，并且在已知管段的直径的情况下，能够确定体积流量。

通过所谓的超声波换能器的帮助产生或接收超声波。为了该目的，将超声波换能器稳固地放置在相关管段的管壁中。也存在夹合式超声波流量测量系统。在该情况下，在外部将超声波换能器压在测量管的管壁上。夹合式超声波流量测量系统的极大优点在于，它们不接触测量介质，能够被放置在已经存在的管道上。

超声波换能器通常由机电换能器元件，例如压电元件和耦合层组成。在机电换能器元件中，产生超声波作为声学信号，并且通过耦合层将其引导至管壁，并且在夹合式系统的情况下，从管壁处将超声波引导到液体中，并且在线上系统的情况下，通过耦合层将超声波引导到测量介质中。在该情况下，有时将耦合层称为膜。

在压电元件和耦合层之间，能够布置另一耦合层，即所谓的适配或匹配层。在一些情况下，适配或匹配层执行下列功能，即发射超声波信号，并且同时降低不同声学阻抗导致的两种材料之间的界面处的反射。

在夹合式系统的情况下，同样地在线上系统的情况下，都将超声波换能器布置在测量管上的共享平面中，处于测量管的相对侧上或者测量管的相同一侧上，在相对侧的情况下，被投射到管横截面上的声学信号沿割线经过测量管一次，在同侧的情况下，声学信号在测量管的相对侧上反射，由此声学信号沿投射在贯穿测量管的横截面上的割线，横穿测量管两次。US4,103,551和US4,610,167示出在其测量管中设置的反射面上具有反射的超声波流量测量装置。也已知多路径系统，其具有多个超声波换能器对，在每种情况下，该超声波换能器对都形成信号路径，声学信号沿着信号路径经过测量管。在该情况下，相应信号路径和关联的超声波换能器位于平行于测量管轴线的相互平行平面中。US4,024,760和US7,706,986以示例的方式示出了这种多路径系统。多路径系统的优点在于，它们能够在多个位置处，测量被测介质在测量管内的流动剖面，并且由此提供高度精确的流量测量值。这可以基于沿不同信号路径的个别行进时间的权重不同的事实等等加以实现。然而，多路径系统情况下的缺点在于它们的制造成本，因为需要使用若干超声波换能器，并且在给定情况下，需要复杂的评估电子器件。

存在确定信号路径权重的不同方法。T.Tresch、T.Staubli和P.Gruber的于2006年7月30日－8月1日在美国俄勒冈州波特兰市的the handout for6th International Conference on Innovation in Hydraulic Efficiency Measurements中的论文“Comparison of integration methods for multipath accoustic discharge measurements”比较了用于计算对流量的沿不同信号路径行程时间权重的确定方法。

WO1995012110A1公开了一种具有下列测量管的超声波流量测量装置，该测量管具有平面管壁和直测量管轴线，以及测量管中的至少一个反射面，其中至该反射面的法线在下列直角坐标系中具有不等于0的3个分量，该直角坐标系的一个轴线对应于测量管轴线。该文献教导了明显大于点状信号的预定宽度的超声波信号具有贯穿该宽度的高斯形状灵敏度。该信号用于流量测量。在该情况下，信号的宽度近似对应于矩形测量管的宽度。如果这种信号将平行于侧壁地经过测量管，具有最高灵敏度的区域就将通过测量管的中心区域延伸，因而也记录具有较高值的较高流速。在流速非常小的情况下，这将导致测量误差。因此，该文献也教导了通过借助于定向反射引导超声波信号经过测量管的所有区域，非常均匀地辐射测量管。为了例示，由个别束状部分代表宽超声波信号。该个别束状部分的路径长度等长，所以束状部分不因为干涉而抵消。