专利名称：超声颗粒测量系统的制作方法
超声颗粒测量系统
本发明涉及超声颗粒测量系统，该超声颗粒测量系统包括超声变换器，该超声变换器具有至少一个超声变换器元件和至少一个耦合元件，其中，在操作期间，经由耦合元件通过超声变换器元件可发送和可接收声信号，其中，超声变换器被布置在测量管中。
超声变换器通常由机电变换器元件和耦合层构成，该机电变换器元件例如是压电元件，也被简称为压电，该耦合层也被称为耦合楔子或者不经常地被称为引入元件。耦合层在该情况下大多数时候由合成材料制造，而压电元件在工业过程测量技术中通常由压电陶瓷构成。在压电元件中产生超声波，并且该超声经由耦合层被引导到管壁并且从那里被引导入液体内。
在压电元件和耦合层之间可以布置另一个耦合层，所谓的适应或匹配层。该适应或匹配层在该情况下执行发送超声信号并且同时减小由不同的声阻抗引起的在两种材料之间的界面处的反射的功能。
也已知用于断定在作为被测介质的流体中的颗粒的浓度和/或大小的超声方法和测量装置。因此，US6，481，268示出了具有至少一个超声变换器的这样的测量装置。由超声变换器发送的超声信号被在被测介质中的颗粒反射回变换器，并且在那里记录为回波。 一个实施例示出在测量管上彼此相对地布置的两个超声变换器。这两个超声变换器发送和 /或接收实质上垂直于测量管轴线的超声信号。另一个实施例示出具有被实施为透镜的耦合元件的单独的超声变换器，以便将超声信号聚焦到测量管内。在该文献中未提供对流的测量。
在另一个现有技术的专利US5，251，490中，示出了超声流测量装置，其利用多普勒测量原理来断定通过测量管的流。将超声信号以被声透镜聚焦并且在被测介质中的颗粒上被反射的波的形式来发送。该反射在焦点的直接附近最大。从在耦合和反射的波之间的频移来确定液体的流速。
US5, 533, 408公开了一种使用行程时间差原理和多普勒原理的组合的超声流测量装置。然而，在这一点上，每种情况具有其本身的传感器。在超过或未超过预定测量值时， 发生在两个测量原理的传感器之间的切换。
W003/102512A1提出了一种用于流动的流体的行程时间差测量的方法，其中，作为补充，断定超声信号在流体中的颗粒上的反射，以便从其了解颗粒的浓度。在这一点上， 通常提供两个超声变换器来用于行程时间差测量，其中，这些超声变换器的至少一个是从发送状态迅速地可切换到它可以接收其发送信号在流体中的颗粒上的反射的接收状态，或者，提供另外的超声变换器，该另外的超声变换器被布置为使得它们可以接收该反射。为了断定在被测介质中的颗粒的浓度和大小，评估移动颗粒的多普勒频移。在不移动的被测介质中的测量因此是不可能的。
本发明的目的是提供一种简单的超声颗粒测量系统，利用该超声颗粒测量系统， 能够根据预定的数量级断定在被测介质中的每单位时间的颗粒计数和/或颗粒的颗粒大小。
通过权利要求I、权利要求11和权利要求15的主题来实现该目的。在从属权利要求的特征中可以发现本发明的另外的改进和实施例。
根据权利要求I的超声颗粒测量系统包括至少一个超声变换器元件和至少一个耦合元件，其中，在操作期间，经由耦合元件通过超声变换器元件可发送和可接收声信号。 超声变换器元件例如在测量管中被布置为使得声信号以例如相对于测量管轴线的90°的角度或甚至以更小的角度沿着在测量管中的至少一个信号路径传播。耦合元件在该情况下被实施为声透镜。而且，超声颗粒测量系统包括评估单元，该评估单元适合于对从颗粒向超声变换器反射的声信号的反射信号的振幅分析，其中，利用评估单元，可断定由超声变换器接收的反射信号的振幅的幅值，并且其中，利用评估单元，可计数在预定时间间隔中比预定阈值大的振幅的数量。
评估单元适合于记录和评估由超声变换器元件接收的声反射信号的信号振幅，反射信号是从由超声变换器发送的声信号反射回超声变换器的、在被测介质中的颗粒的反射信号。评估单元因此分析由超声变换器接收的这些反射信号的振幅，其中，至少可断定比预定阈值大的幅值，并且其中，至少可计数它们在预定时间间隔中的数量。从接收的反射信号的大于预定阈值的振幅断定在被测介质中的颗粒的颗粒大小。这经由将振幅幅值与颗粒大小相关联而发生。因此，仅可断定预定大小的颗粒。存在颗粒的最小大小以及最大大小两者。如果存在比最大大小大的颗粒，则在它们的大小上不能再区分。最大大小实质上源自透镜的聚焦。从在预定时间间隔中接收的反射信号中的大于预定阈值的振幅的数量，断定在被测介质中的预定最小大小的颗粒的颗粒浓度。
耦合元件被实施为声透镜，例如被实施为平凹声透镜或声学菲涅耳透镜。耦合元件包括第一接触表面和至少另一个第二接触表面，该第一接触表面在操作期间接触被测介质，在该第二接触表面上布置和紧固了超声变换器元件。第一接触表面具有例如具有大于 5_的声学有效曲率半径的轮廓。特别地，这个声学有效曲率半径大于10_。在一个实施例中，声学有效曲率半径达到最大150mm，特别是最大50mm。曲率半径取决于测量管直径和耦合元件的材料以及被测介质的化学成分和物理属性，因为特别地，声信号的传播速度取决于声信号在其中传播的材料。
透镜传统上以至少一个椭圆或圆表面为边界。球体具有整体相同的曲率，使得能够经由曲率来限定这样的透镜。这对于椭圆在一定程度上也成立。通过例如菲涅耳透镜来形成例外。菲涅耳透镜被划分为多个例如环形部分，环形部分在截面上可以由棱柱近似。理想上，菲涅耳透镜的环形部分形成具有预定曲率半径的传统透镜的部分。这因此有益地等于声学有效曲率半径。
自然地，透镜的声学有效曲率半径和焦距经由折射率特性彼此组合。这些继而取决于分别在耦合元件、被测介质中的声音的速度。
菲涅耳透镜的优点可以是与传统透镜相比较的透镜的低厚度。以这种方式，耦合元件可以被实施为很薄，由此，它可以通过使两个接触配合件彼此阻抗匹配来作为在被测介质和超声变换器元件之间的适应或匹配层。另一个优点源自菲涅耳透镜的特殊实施例。 它具有带有相应高度的单独台阶，台阶在每种情况下是大约η*λ/2，η是自然数，并且λ是在透镜中的声信号的波长。透镜因此实际上被执行为λ/2适应或匹配层，这导致与传统透镜相比较的改善的声信号传输。
超声变换器可以紧固在测量管中，其中，超声变换器的耦合元件因此在操作期间接触被测介质，特别是与其第一接触表面接触。因此，这是所谓的内联(inline)超声颗粒测量系统。
本发明的超声颗粒测量系统因此特别用在过程工业的工厂中，特别是在颗粒过滤器后的管线系统中，以用于监控过滤器的功能，例如用于诊断是否例如存在小的泄漏或过滤器的渗透率对于从特定大小起的，例如从I微米直径起的，颗粒有多大。基于模型来推断颗粒的直径。实际上，反射面积对于反射信号是决定性的。然而，假定在模型中的颗粒是球体。在该情况下，颗粒不大于100微米，特别地，它们具有不大于10微米的直径，并且被测介质不比100FNU更浑浊，或者被测介质的混浊度例如小于10FNU。在很浑浊的测量信号的情况下，声信号可能被吸收，并且流测量不再可能。因此，仅应当测量对于人眼仍然看起来清楚的介质。在此，不要求高度精确的混浊度测量，本超声颗粒测量系统当它被根据本发明实施时可以首先传递故障的指示。本发明的另一种方法是利用被实施为透镜的本发明的至少一个耦合元件改装已经存在的超声流测量系统。在该情况下，一种选择是将完整的没有透镜的超声变换器更换为本发明的超声变换器，或者更换耦合元件。在本发明的另外的实施例中，在操作期间的预定阈值的高度是可适应的，并且/或者，在超过预定阈值的情况下，能够发出警告。
与混浊度测量系统相反，使用本发明的超声颗粒测量系统，不是根据用于混浊度测量的标准之一来断定被测介质的混浊度，而是相反，如上所述，仅根据在被测介质中出现的、从特定大小起的颗粒的频率来确定被测介质的混浊度。因此，它比混浊度测量装置更多地涉及颗粒计数器。因为评估在颗粒上的反射的振幅以用于颗粒测量，而不必计算多普勒频移，所以在很慢流动的介质的情况下，甚至在静止的介质的情况下，颗粒也是理论上是可测量的。
通过借助声透镜的聚焦，仅在测量管中的被测介质的小体积的流中确定颗粒。这个体积取决于透镜的声学有效曲率半径R0C、在透镜中的声音的速度Ctos和被测介质中的声音的速度Cifedium与声信号的波长Xsfediu^该体积在该情况下可以被假定为例如圆柱的，并且因而被称为聚焦管。在焦点周围的这个聚焦管的半径可以被例如表达为
权利要求
1.超声颗粒测量系统(1)，包括超声变换器(2)，所述超声变换器(2)具有至少一个超声变换器元件(4)和至少一个耦合元件(5)，其中，在操作期间，经由所述耦合元件(5)通过所述超声变换器元件(4 )可发送和可接收声信号，其中，所述耦合元件(5 )被实施为声透镜，并且其中，所述超声颗粒测量系统(I)进一步包括评估单元，所述评估单元适合于对从颗粒向所述超声变换器(2)反射的声信号的反射信号的振幅分析，其中，利用所述评估单元，可计数在预定时间间隔中比预定阈值大的反射信号的振幅， 其特征在于， 所述超声变换器元件(4)适合于发送第一频率的第一声信号，并且所述超声变换器元件(4)适合于发送第二频率的第二声信号，并且所述超声颗粒测量系统(I)具有控制单元，所述控制单元适合于激励所述超声变换器元件(4)以发送所述第一声信号并且用于激励所述超声变换器元件(4)以发送所述第二声信号，其中，所述第一频率与所述第二频率不同。
2.根据权利要求I所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 所述第一频率达到至少2MHz，并且所述第二频率达到至多10MHz。
3.根据权利要求I或2所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 所述超声变换器(4 )被布置在测量管(8 )中，并且，用于沿着共享的信号路径(9 )来发送所述第一声信号和所述第二声信号的所述超声变换器(4)被激励为使得所述信号路径(9)相对于测量管轴线具有90°的角度。
4.根据权利要求2所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于， 所述超声颗粒测量系统(I)被实施为使得所述声透镜在水状被测介质中的焦距与所述测量管的直径的比率达到至少0. 2。
5.根据权利要求I至4中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)被实施为平凹声透镜。
6.根据权利要求I至5中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)被实施为声学菲涅耳透镜。
7.根据权利要求I至6中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 至少所述耦合元件(5)是由聚合物制造的。
8.根据权利要求I至7中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 所述超声变换器元件(4)直接地粘附到所述耦合元件(5)的第二接触表面(6)。
9.根据权利要求I至8中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)， 其特征在于 所述第一频率和所述第二频率是可调整的。
10.根据权利要求I至9中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)，其特征在于 所述测量管(8)具有至少20mm的直径的大体圆形的截面。
11.用于利用在测量管(8)中布置的超声变换器(2)来记录在被测介质中的颗粒的方法，其中，通过所述超声变换器(2)来产生声信号以借助从所述颗粒向所述超声变换器反射的所述声信号的反射信号的振幅分析来记录在所述被测介质中的颗粒，其中，经由声透镜来聚焦至少由所述超声变换器(2)产生的所述声信号， 其特征在于， 由所述超声变换器(2)产生的所述声信号的频率根据预定规格而被设置在预定频率范围内。
12.根据权利要求11所述的方法， 其特征在于， 在所述被测介质中的所述颗粒的颗粒大小被从接收的大于预定阈值的所述反射信号的振幅来断定，其中，在所述被测介质中的颗粒浓度被从在预定时间间隔中接收的具有比所述预定阈值大的振幅的反射信号的振幅的数量来断定。
13.根据权利要求11或12所述的方法， 其特征在于 所述阈值被根据由所述超声变换器(2)产生的所述声信号的频率来预定。
14.根据权利要求10至13中的一项所述的方法， 其特征在于 所述超声变换器(2)被激励以用于发送具有大于2MHz的频率的所述声信号。
15.根据权利要求I至10中的一项所述的超声颗粒测量系统(I)的用途， 其特征在于 所述超声颗粒测量系统(I)被布置在管线系统中颗粒过滤器的下游。
全文摘要
本发明涉及超声颗粒测量系统(1)，包括超声变换器(2)，其具有至少一个超声变换器元件(4)和至少一个耦合元件(5)，其中，在操作期间，经由耦合元件(5)通过超声变换器元件(4)能够发射和接收声信号。耦合元件(5)被设计为声透镜，并且超声颗粒测量系统(1)包括评估单元，该评估单元适合于分析由颗粒向超声变换器(2)反射的声信号的反射信号的振幅，其中，评估单元被用来计数在预定时间间隔中比预定阈值大的反射信号的振幅的数量。
文档编号G01N29/02GK102985816SQ201180033874
公开日2013年3月20日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年7月8日
发明者林遥婴, 比特·基斯林, 沃尔夫冈·德拉赫姆, 托马斯·弗勒利希 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司