用于夹装超声流量测量点的超声换能器装置和夹装超声流量测量点以及用于将夹装超声流量测量点投入运行的方法

背景技术

当线路中流量测量点的测量管的安装很麻烦或不可能时，代替线路中流量测量点，应用夹装超声流量测量点，其中超声换能器集成在测量管中。夹装超声流量测量点非常容易设置，并且可以安装在不同的测量管上。然而，它们具有的缺点是，这种测量点的超声换能器在出厂时最多只能彼此粗调。

现有技术示出了这种流量测量点的超声换能器装置，在这种情况下，超声换能器相对于彼此可移位地安装，以便允许微调。但是，这需要技术知识，并且还消耗一定的时间。在DE102008029772A1中提出了避开该问题的迂回，在这种情况下，在测量管的外部分别放置了两组多个超声换能器，其中每组中相邻的超声换能器彼此之间的间距小，其中这些间距在这些组之间略有不同。以这种方式，可以实现的是，由于在许多情况下存在多个超声换能器，所以存在通过超声信号路径连接的超声换能器对，因此，可以通过更换超声换能器对从而对诸如声速的过程参数的微小变化进行补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于夹装超声流量测量点的超声换能器装置和夹装超声流量测量点，在这种情况下，超声换能器装置在很大程度上与测量管直径无关。

该目的通过独立权利要求1中限定的超声换能器装置以及独立权利要求8中限定的夹装超声流量测量点以及如独立权利要求11、14和15中限定的用于将超声流量测量点投入运行的方法来实现。

本发明的用于基于行程时间差原理的夹装超声流量测量点的超声换能器装置包括：

多个超声换能器，该多个超声换能器适于被布置在夹装流量测量点的测量管的外侧上，

其中，超声换能器在每种情况下具有用于产生和/或接收超声信号的至少一个换能器元件以及耦合元件，其中该耦合元件具有第一接触区域和第二接触区域，其中换能器元件被布置在第一接触区域上，并且其中超声换能器适于借助于第二接触区域与测量管相接触，

其中，超声换能器适于将超声信号辐射到测量管中和/或接收从测量管发出的超声信号，

其中，第二接触区域在每种情况下具有法线，其中法线限定平面，超声信号的超声信号路径在该平面中延伸，

其中，第一超声换能器限定彼此平行延伸的第一超声信号路径，并且其中第二超声换能器限定彼此平行延伸的第二超声信号路径，其中超声信号路径在平面中延伸，

其中，第一超声换能器的超声信号路径以及第二超声换能器的超声信号路径在耦合元件中在每种情况下相对于第二接触区域倾斜地延伸，

其中，第一超声信号路径的方向和第二超声信号路径的方向与法线镜像对称，

其中，第一超声信号路径限定在平面中与第二超声信号路径的交点，其中，这些交点位于平行线处，所述平行线在平面中垂直于法线延伸，

其中第一组相关联的超声换能器唯一地具有第一数量的第一超声换能器，并且其中第二组相关联的超声换能器唯一地具有第二数量的第二超声换能器，

其中第一组中相邻的超声换能器在平行线的方向上在每种情况下彼此具有第一间距A1，并且其中，第二组中相邻的超声换能器在平行线的方向上在每种情况下彼此具有第二间距A2，其中第一间距和第二间距不相等，

其特征在于，

2*A1>＝A2>＝1.125*A1，并且尤其是，1.75*A1>＝A2>＝1.16*A1，并且优选地1.6*A1>＝A2>＝1.25*A1。

“相关联的”在此处是指在一组超声换能器之间没有布置附加的超声换能器。

在实施例中，第一间距A1和第二间距A2之间的关系符合或尤其是对应于以下等式：

(a+1)*A1＝a*A2，其中b>a>1，a是自然数，b是a的范围的上限值并且小于9，并且尤其是小于7，并且优选地小于5。

有利地，第一数量和/或第二数量大于a。

在实施例中，超声换能器在每种情况下具有纵轴，其中纵轴在每种情况下相对于相应的第二接触区域具有内角α，其中超声信号路径在耦合元件中在纵轴的方向上延伸，

其中换能器元件具有径向伸长(rA)，其中

rA>3/(8*a)*A1*cos(α)，

尤其是，

rA>1/(4*a)*A1*cos(α)。

在实施例中，超声换能器装置至少包括第三组超声换能器，其具有至少一个第一超声换能器和/或至少一个第二超声换能器，

其中由第三组中的第一超声换能器和/或第三组中的第二超声换能器形成的至少一个交点补充等距平行线的最大基数第一量。

最大基数第一量的特征在于，属于最大基数量的相邻平行线在每种情况下彼此具有相同的间距，并且与等距平行线的其它量相比，该量具有最多平行线。

在实施例中，超声换能器装置包括至少第三超声换能器，该第三超声换能器具有垂直于第二接触区域延伸的信号路径。

在实施例中，该装置包括支撑主体，用于保持超声换能器。

在实施例中，超声换能器在每种情况下单独地被保持在支撑主体中。

本发明的用于测量流过测量管的介质的流速的夹装超声流量测量点包括：

测量管，用于输送介质并且具有测量管轴线，

本发明的超声换能器装置，其中该超声换能器装置平行于测量管轴线定向，

电子测量和操作电路，用于操作超声换能器以及用于查明和提供流速的测量值。

在实施例中，夹装超声流量测量点包括曲率传感器，用于确定测量管的外径，

其中曲率传感器具有间距传感器和间隔物，

其中间隔物具有中心区域和与该中心区域相邻的两个端部，其中所述端部通过弯曲部或角度与所述中心区域定界，

其中间隔物适于借助于所述端部与测量管相接触，其中中心区域适于与测量管间隔开，并且其中穿过间隔物穿过所述两个端部的横截面或纵截面适于与测量管横截面平行地延伸，

其中间距传感器在中心区域中被布置在间隔物上，

其中电子测量/操作电路适于操作间距传感器。

在实施例中，间距传感器是光学或声学间距传感器。

在本发明的用于将夹装超声流量测量点投入运行的方法中，

多个第一超声换能器/多个第二超声换能器在每种情况下同时地或在时间上偏移地传输超声信号，所述超声信号由第二超声换能器/第一超声换能器接收，

其中电子测量/操作电路基于所接收的超声信号的信号强度和/或信噪比确定要用于测量操作的至少一个超声换能器对。

在实施例中，超声信号是准连续的并且频率不同，或者

其中超声信号是脉冲的并且在下列特征上有所不同：

频谱的中心频率。

在实施例中，介质被输送通过测量管，

其中，在接收到的超声信号的情况下，检查超声信号部分是否存在传播时间差，

其中，在确定要使用的超声换能器对时，排除没有传播时间差的超声信号部分。

在本发明的方法中，使第三超声换能器发送和接收超声信号，

其中，电子测量/操作电路基于所接收的超声信号的至少一个信号特征来确定外径和/或内径，

其中可用的信号特征例如是：

传播时间。

在本发明的方法中，电子测量/操作电路借助于曲率传感器来确定外径。

附图说明

现在将基于在附图中呈现的实施例的示例来描述本发明，附图中的图如下所示：

图1示出本发明的布置的两个超声换能器。

图2示出用于超声换能器的本发明的布置的几何关系；

图3示出交点的分布；

图4示出用于补偿等距平行线的最大基数第一量的选项；

图5示出根据测量管直径的测量管中不同的超声信号路径；

图6以示例的方式示出用于超声换能器的本发明的布置；

图7示出支撑主体中的布置；

图8示出具有本发明的布置的流量测量点；

图9示出曲率传感器。

具体实施方式

图1示出了超声换能器20的示例的示意性构造，并且本发明的装置的一部分包括两个第一超声换能器20.1和两个第二超声换能器20.2，其被布置在测量管2的外部上。超声换能器在每种情况下包括至少一个换能器元件21，优选为压电换能器元件，以及耦合元件22，其中换能器元件被布置在耦合元件的第一接触区域22.1上，并且其中耦合元件经由第二接触区域22.2与测量管在声学上且机械地耦合。耦合元件具有纵轴L，由换能器元件21产生或经由接触区域22.2接收的超声信号沿纵轴L传播。换能器元件优选是盘形的并且具有径向伸长rA。换能器元件的径向伸长不一定与耦合元件的径向伸长相对应，因而图1中的显示仅简化了附图。纵轴相对于第二接触区域的法线N具有角度γ，因而超声信号以倾斜的方式耦合到测量管中。在测量管中，当耦合元件中的声速与介质中的声速不同时，超声信号路径与法线成角度β，该角度β通常与角度γ不同。相邻的第一超声换能器20.1彼此具有第一间距A1，相应地，相邻的第二超声换能器彼此具有第二间距A2。

角度γ的典型值为30°到45°，这取决于用于耦合元件和测量管的材料以及流过测量管的介质。

图2示出了在测量管2中相互平行的第一超声信号路径UP1和相互平行的第二超声信号路径UP2，它们从两个第一超声换能器20.1和两个第二超声换能器20.2发出并且在平面内延伸，其中第一超声信号路径和第二超声信号路径中的每一对都相对于第二接触区域的法线N镜像对称地延伸。超声信号路径交叉并且限定了位于平面内的交点的网络。第一超声信号路径UP1上的交点具有投影到法线N上的间距p2＝d2/(2*sin(β))，其中d2等于相邻的第二超声信号路径UP2的间距。相应地，第二超声信号路径UP2上的交点具有投影到法线N上的间距p1＝d1/(2*sin(β))，其中d1等于相邻的第一超声信号路径UP1的间距。投影到法线的两个交点的最小间距为p2-p1。

超声换能器的数量、它们相对于彼此的布置以及所选择的角度不应被理解为限制性的，并且仅出于说明的目的而示出。在这种情况下忽略的测量管2的厚度影响相对于耦合元件进入介质的声音进入点。视情况而定，本领域技术人员将考虑这一点。

图3示出了交点的网络，其由具有三个第一超声换能器20.1的相关联的第一超声换能器的第一组G1和具有三个第二超声换能器20.2的相关联的第二超声换能器的第二组G2创建。在间距A1和A2相等的情况下，网络将具有钻石形，其中某些交点与测量管2的壁具有相等的间距。由于不同的间距A1和A2，钻石形是歪曲的，因此形成平行四边形，从而在其他情况下具有与测量管壁间距相等的交点现在沿着倾斜于测量管壁的线加以布置，诸如借助于虚线表示。在第一组G1的第一超声换能器的数量N1与第二组G2的第二超声换能器的数量N2相等的情况下，在中心斜线上放置与第一超声换能器的数量相对应的交点的数量，并且在每种情况下，在相邻的倾斜线上的交点要少一个。对于间距A1和A2，以下关系成立：(a+1)*A1＝a*A2，其中b>a>1，其中a和b为自然数，而N1和N2大于或等于a+1，则中心倾斜线和至少相邻的倾斜线的交点位于至测量管壁或测量管轴线的等距平行线上，并且限定等距平行线的最大基数第一量M1。等距平行线的其它量与量M1的间距比相邻的等距平行线的间距更大。等距平行线的量也可以仅包括一条平行于其自身并与其等距的平行线。

超声换能器的平行线的间距取决于第一组与第二组的间距。将第二组推向第一组导致超声换能器的平行线的间距减小。这意味着该装置可以用于小直径的测量管。

超声换能器的数量、超声换能器相对于彼此的布置以及所选择的角度不应被理解为限制性的，并且仅出于说明的目的而示出。

图4示出了如何通过添加更多的超声换能器来补充最大基数第一量M1。包括超声换能器U1至U3的第一组G1超声换能器以及包括超声换能器U4至U6的第二组G2超声换能器如图3中那样限定交点的网络，其中交点落入等距平行线P的第一量M1内，并且其中交点位于不属于量M1的平行线P处。不属于量M1的平行线和属于量M1的平行线之间的间隙是量M1的相邻平行线的整数倍。借助于至少第三组G3超声换能器，例如包括超声换能器U7和/或超声换能器U8和U9，可以补充量M1，诸如由虚线平行线所示。

补充也可以用超声换能器装置来完成，在这种情况下，第一组超声换能器和/或第二组超声换能器具有多于三个超声换能器。

图5示出取决于测量管直径的超声信号路径。在测量管2.11的第一侧处辐射到测量管中的超声信号在测量管2.12的第二侧上在测量管壁的内侧上反射。对于第二侧上的测量管的内部与平行线P1一致的情况，从第一超声换能器/第二超声换能器输出的超声信号路径重叠在第二超声换能器/第一超声换能器的超声信号路径上，使得从第一超声换能器/第二超声换能器发出的超声信号可以被第二超声换能器/第一超声换能器接收。这种情况借助于在交点K1中在平行线P1处反射的实线通过在超声换能器U2和超声换能器U4之间的超声信号路径示出。

对于第二侧上的测量管的内部与平行线P1不一致的情况，超声换能器U2和U4的超声信号路径相互偏移，这导致在接收超声换能器处超声信号振幅减小。对于从U4发出的超声信号用粗虚线显示了这一点。

对于测量管的内部在第二侧上与平行线P2一致的情况，超声换能器U1和U3的超声信号路径重叠。

在测量管的第二侧的内部在平行线P1和P2之间并且与两条平行线同样远的情况下，存在内壁相对于平行线P1和P2之一的最大相关偏差。在内壁更靠近P1的情况下，这将意味着超声换能器U2和U4的超声信号路径更好地吻合。在内壁更靠近P2的情况下，这将意味着超声换能器U1和U3的超声信号路径更好地吻合。这是借助于从U3到U1开始并且从U4到U2引出的细虚线来证明的，通过忽略实际产生的加宽，可以提供超声信号宽度。在恰好位于P1和P2之间的中途的内表面上反射的情况下，超声信号不再在相应的接收超声换能器上居中撞击而是偏移，其中在两个超声信号路径的情况下，偏移都同样大。

优选地，换能器元件具有径向伸长rA(见图1)，其中rA>3/(8*a)*A1*cos(γ)，并且尤其是，rA>1/(4*a)*A1*cos(γ)，或rA>3/(8*a)*A1*sin(α)，并且尤其是rA>1/(4*a)*A1*sin(α)，其中(a+1)*A1＝a*A2。

忽略超声信号扩展，则将导致平行于测量管轴线的超声信号宽度的三分之一的、在沿测量管轴线或沿着平行线P延伸的方向上的最大相关偏差，在此情况下为偏移。已经发现，在这种情况下，接收超声换能器中的超声信号幅度仍然足以进行良好的信号处理。

图6以示例的方式示出了本发明的用于测量管2上的超声换能器的布置，其中第一组G1超声换能器以及第二组G2超声换能器G2分别具有三个第一超声换能器20.1和三个第二超声换能器20.2。另外，该布置包括具有第一超声换能器20.1和第二超声换能器20.2的第三组G3超声换能器，借此补充了如图4所示的等距平行线的最大基数量。另外，诸如在这种情况下所示，超声换能器装置可以例如具有第三超声换能器20.3，该第三超声换能器20.3适于垂直于测量管轴线辐射超声信号，并且在这些超声信号在第二侧2.12上在测量管的内侧上反射之后接收这些超声信号。借助于超声信号的至少一个被测信号传播时间，可以确定测量管直径和测量管厚度以及要使用的超声换能器对。在这种情况下，可以利用在两个不同介质之间的每个界面上发生反射。因此，超声信号的第一反射可以用于厚度确定，而第二反射可以用于测量管直径确定。本领域技术人员可以为此使用已知的信号评估方法。

图7示出了被布置在支撑主体30中并由支撑主体30保持的超声换能器。支撑主体可以具有定位元件，在将超声换能器安装在支撑主体中的情况下，借助该定位元件可以将超声换能器定位在期望的位置。在定位之后，可以将超声换能器灌入支撑主体中。超声换能器可以例如单独地被保持在支撑主体中，从而可以装配到例如粗糙或不平坦的测量管表面上。该视图仅是相对于超声换能器的数量和布置的示例，而不应理解为限制性的。

图8以示例的方式示出了夹装超声流量测量点1，其具有测量管2、本发明的超声换能器装置10、用于保持超声换能器装置的支撑主体30、用于确定测量管弯曲的曲率传感器4以及电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路用于使超声换能器和曲率传感器操作并且用于提供流量测量值。夹装超声流量测量点不必须具有曲率传感器。

图9示出了曲率传感器4的结构，借助于该结构可以确定测量管外径。在了解了测量管外径和测量管厚度的情况下，可以预先确定要使用的超声换能器对。曲率传感器包括间距传感器4.1和间隔物4.2，该间隔物具有中心区域4.21和从中心区域弯曲的两个端部4.22。间隔物与测量管2的横截面平行地放置在测量管上，其中中心区域具有取决于与测量管外表面的间距的测量管外径。利用应用在中心区域中的间距传感器4.1来测量该间距。这样的传感器可以是例如超声传感器或光学传感器。

代替图5所示的在第二测量管侧2.12上具有一个反射的V形超声信号路径，也可以是在第二测量管侧上具有两个反射并且在第一测量管侧2.11上具有中间反射的W形信号路径。这在小测量管直径或者当由进入耦合的超声信号而引起的测量管的振荡，根据时间与沿V形超声信号路径传播的超声信号重叠地临近到达接收超声换能器处时的情况下是有利的。

夹装超声流量测量点的启动需要确定包括第一超声换能器和第二超声换能器的超声换能器对。为此，诸如已经提到的，可以借助于第三超声换能器确定测量管内径以及测量管厚度，并且因此可以确定超声换能器对。替代地或补充地，还诸如已经提到的，可以应用曲率传感器。替代地或补充地，多个第一超声换能器和/或第二超声换能器可以同时地或在时间上偏移地传输超声信号。然后例如可以基于超声信号幅度来确定对超声换能器对的选择，该超声信号幅度借助于被选为接收器的超声换能器来测量。为了弄清楚涉及哪些换能器，可以将一个或多个特征施加在用于传输超声信号的不同超声换能器的超声信号上。例如，在脉冲超声信号的情况下，中心频率可以是特征性的。替代地或补充地，例如，超声信号可以具有不同的信号线性调频。

在启动时，还可以通过测量管输送介质，并且执行超声信号的传播时间差测量。在这种情况下，可以不考虑没有或具有小的传播时间差的超声信号。这样的信号例如是从原始超声信号耦合到测量管中而不经过介质传播的信号。因此，在接收超声换能器的情况下，从原始超声信号发出，由各种反射引起的多个超声信号可以在时间上重叠或偏移地到达。

参考标记列表

1 夹装超声流量测量点

2 测量管

2.11 第一测量管侧

2.12 第二测量管侧

2.2 测量管轴线

3 电子测量/操作电路

4 曲率传感器

4.1 间距传感器

4.2 间隔物

4.21 中心区域

4.22 端部

10 超声换能器装置

20 超声换能器

20.1 第一超声换能器

20.2 第二超声换能器

20.3 第三超声换能器

21 换能器元件

22 耦合元件

22.1 第一接触区域

22.2 第二接触区域

30 支撑主体

N1 第一数量

N2 第二数量

M1 第一量

A1 第一间距

A2 第二间距

UP1 第一超声信号路径

UP2 第二超声信号路径

K1,K2 交点

N 法线

U1-U9 超声换能器

G1 第一组

G2 第二组

G3 第三组

P 平行线