声学流速计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于以非侵入的方式测量在被介质穿流的导电的物体、尤其地管或管道中的流量率或流动速度的声学流速计，所述流速计带有用于在物体中产生至少一个超声波的激励换能器，所述超声波在所述物体的指向介质的内侧处作为纵向波耦合到所述介质中，并且所述流速计还带有用于探测在所述物体中的超声信号的接收换能器，其中，至少部分地通过所述纵向波得到所述超声信号，其中，在取消所述激励换能器与所述物体的表面的声学耦合的情况下所述激励换能器构造成高频感应线圈以用于在尤其地金属的物体的表面附近区域中产生可变的磁场，并且通过所述可变磁场与在所述区域中的静态或准静态磁场的相互作用产生所述超声波。
【专利说明】声学流速计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于以非侵入的方式测量在被介质穿流的导电的物体、尤其是管或管道中的流量率或流动速度的声学流速计，该流速计带有用于在物体中产生至少一个超声波的激励换能器，该超声波在物体的指向介质的内侧处作为波、尤其地作为纵向波耦合到介质中，并且该流速计还带有用于探测在物体中的超声信号的接收换能器，其中，至少部分超声信号通过(纵向)波而得到。
【背景技术】
[0002]传统的非侵入式流速计必须固定地卡紧在管或管路上，以便将由激励换能器产生的超声波耦合到管中。无论是设备的卡紧还是随后的操作都不妨碍在管中的介质输送，因此称为非侵入式流速测量。常常使用附加的楔形声学耦合器，其布置在压电元件和物体之间并且常常在附加地使用耦合介质的情况下使由激励换能器输出的声学信号耦合到管路壁中。
[0003]激励换能器和接收换能器在管处的安装和调试是非常重要的工作步骤，因为必须精确地保持根据介质、壁厚和材料而限定的用于在管中产生超声波的激励换能器和接收换能器之间的间隔。即使轻微地偏离最优距离也会使信号明显恶化。此外，传统的超声波流速计仅仅可应用在相对窄的温度范围中，在此该温度范围指的是物体、优选地为管或管路的温度。换能器的操作温度必须明显低于对于多种所用的换能器来说典型地在150°至350°之间的居里温度。例如在文献DE4124692A1中描述了用于解决该问题的解决方案，在该文献中换能器构造为带有用于高温应用的特殊的压电陶瓷。由此，可测量在具有直至180°的温度的物体中的介质的流动速度或流量率。然而，除了温度问题之外，有时会由于在声学耦合器的材料中因强温度梯度而产生的应力，因此产生严重的问题。此外，应用在声学耦合器和管之间的典型为胶状的耦合介质的老化也会产生问题的。随着该耦合介质的老化，在物体中产生的超声波的信号质量将降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，构造基于现有技术的用于更大应用范围的声学流速计。
[0005]该目的通过根据权利要求1所述的主题实现。从回引权利要求1的从属权利要求中以及随后的描述中得到本发明的有利的改进方案。
[0006]根据本发明，在取消激励换能器与物体的表面的声学耦合的情况下将激励换能器构造成高频感应线圈以用于在金属物体的表面附近区域中产生可变的磁场，并且通过可变磁场与在该区域中的静态或准静态磁场的相互作用产生超声波。表面附近的区域是通过由高频感应线圈产生的涡流的透入深度而限定的物体区域。
[0007]根据本发明的流速计不需要其与物体、例如管路或管之间的声学耦合。声学流速计的激励换能器和接收换能器可与物体间隔开地布置。除了在大于180°C的范围中进行测量，也可测量通过被涂覆的物体、例如利用水泥或塑料涂覆的管路的流速。为了此目的，需要该涂层可透过电磁场。不需要像在现有技术中所要求的那样必须去除物体的涂覆层。
[0008]虽然根据本发明的流速计的激励换能器也可与物体物理接触，但是将该激励换能器定位在被穿流的物体附近就足够了。距离例如可在直至2cm的厘米范围中。
[0009]通过使用高频感应线圈，在物体表面附近的区域中产生交变磁场。由一个或多个高频感应线圈所产生的高频磁场的一部分渗入物体中并且感应出涡流。由于洛伦兹力或磁致伸缩，通过涡流与静态或准静态磁场的相互作用，在物体中产生超声波。
[0010]准静态磁场可以理解为这样的磁场，即，其在相对于高频磁场进行计算时可被视为静态的。尤其地，准静态的磁场以< 200Hz、优选地< IOHz的频率变化，从而电磁地产生的磁场也可被视为静态磁场。高频的磁场尤其地为震荡的磁场。
[0011]除了可穿过管的现有涂覆层进行测量以及在宽的温度范围中进行测量的优点，由于没有耦合介质，该装置经受更少的老化。不需要已知的现有技术中常常需更换的耦合介质。
[0012]在此常常在参考这样的物体的情况下描述根据本发明的流速计，S卩，流速计布置在该物体处或其附近。然而，这种例如构造成管的物体不是本发明的主体，本发明的主体布置在这种管处并用以进行操作。
[0013]为了信号调谐的目的，可优选地自动改变换能器操作所处的频率。通过激励换能器操作所处的高频的可变性或适配性，在物体中产生的超声波以及在介质中产生的纵向波可优选地向着接收换能器取向。由此，在现有技术中可能必须手动调整的在激励换能器与接收换能器的距离中的公差、确切地说不准确的定位可以用电子的方式得到补偿。这从为了设计换能器而使用的、所产生的横向波尤其地为切变波(体剪波)与所用的频率的角度相关性中得到。可以这种方式补偿由于管中的压力波动或温度波动而导致的波传播的波动。相对于现有技术明显改进了该系统的测量精度和匹配性。由此可改变激励换能器操作所用的高频以用于优化接收的信号，使得在介质中感应的纵向波最优地向接收换能器的方向被引导。尤其地，通过频率变化可调整感应的超声波相对于物体表面垂线的角度φ21.并且进而也可以设置在物体-介质过渡部处的耦合角度。尤其地，该垂线在构造成矩形管的物体中是管的外表面的法线、也就是说垂直于该外表面，其中，该表面平行于尤其地可通过介质流动的主方向来确定的轴向。
[0014]有利地，当简化地假设波以波束形状传播时，下列公式适用于产生体剪波:
[0015]
sin (φ21) = eTOl|(f *D)
[0016]其中，Cwall=在物体中的声速，
[0017]f =激励换能器的高频，
[0018]D=从换能器的设置得到的带有相同电流方向的相邻导体路径的距离。
[0019]优选地，不仅可在取消与物体的声学耦合的情况下使激励换能器操作。而且，在本发明的另一构造方案中这也适用于用于探测超声波信号的接收换能器。该接收换能器尤其地也构造成高频感应线圈。根据一个实施例，该接收换能器以及激励换能器同样能进行激励和接收。以这种方式，在根据本发明的装置上也可通过仅仅两个换能器实现例如已知的用于测量用来分析流动速度或流量率的行进时间差的方法。使用仅仅一个换能器也是可行的。[0020]有利地，根据本发明的装置可以脉冲的方式或“脉冲串”方式操作。在此，通过高频脉冲或脉冲串将激励换能器以高频操作较少的周期，优选地小于50个周期，随后超声波在物体中传播。尤其地，激励换能器设计成用于产生拉姆波或切变波，其分别在物体/介质交界处产生期望的纵向波。该纵向波在撞击到物体的相对的内壁上时在该物体中再次产生超声波，由接收换能器以相对于直接在物体中产生的且在物体壁中被传输的超声波具有一时延来探测到该再次产生的超声波。由于该时延，可使波的信号分离，从而可测量由于介质的速度而改变的超声信号。通过将激励换能器和接收换能器切换成接收换能器和激励换能器并且介质在相反的方向上通过，可测量由介质改变的信号之间的通过时间差，这最终能够推出流动速度和流量率。
[0021]代替该切换，也可使用两个附加的线圈，其中一个线圈作为接收换能器紧挨着激励换能器布置，并且另一个线圈作为激励换能器紧挨着接收换能器布置。尤其地，彼此紧挨地布置的线圈的导体路径可相邻和/或重叠布置。在利用切换换能器来进行测量时，切换频率在IOHz至200Hz的范围中、优选地在50Hz至IOOHz的范围中。通过多次测量可实现非常高的测量精度。
[0022]在本发明的另一构造方案中，根据本发明的流速计附加地构造成用于产生静态的或准静态的磁场，该磁场可沿着物体的轴向或垂直于该物体轴向而取向。为此，该流速计可具有永磁体和/或电磁体。虽然使用永磁体在技术上的复杂度比较低，但是电磁体尤其地可用于自动的振幅适配。例如，可通过缠绕物体、例如通过螺旋形地缠绕管来产生电磁体，或者可通过被加载有电流的导体缠绕的由铁磁体材料制成的极靴来形成电磁体。
[0023]优选地，为了优化测量信号，对于一定的应用情况，高频线圈的导体路径垂直于物体的纵轴线并在物体的周向上取向，也就是说，例如对于管来说，声学流速计的设置方案如下配置，即，高频线圈的一个或多个导体路径基本上垂直于物体的纵轴线伸延。由此，耦合到介质中的纵向波在横截面为圆形的管路或管中总是与管的纵轴线(管路轴线)相交。对于根据本发明规定的曲折的高频线圈导体路径来说这意味着，其较长的区段垂直于该纵轴线取向，其中，可忽略在往复的导体路径之间的窄的过渡。尤其地，导体路径可构造成绕组，其中，感应线圈可为“传统的”缠绕的线圈。
[0024]优选地，根据本发明的装置的用作激励换能器的换能器设计成用于产生“bulk”波、也就是说体积波、尤其地为切变波。对于非铁磁的然而导电的材料来说，换能器又设计成用于产生体积纵向波。
[0025]当激励换能器设计成用于产生η阶的拉姆波时，其中η为整数且> 0，实现尤其均匀的穿过传输。使用零阶模式或更高模式、尤其地η=0、1或2阶的模式已被证实为尤其合适液态的、含油的和气态介质的流速测量并且表现为合适用于明显地形成纵向波。通过换能器的频率调谐可设置期望的优化模式。
[0026]对于直径优选地小于5cm的较小的尤其管形的物体来说，换能器可有目的地设计成用于产生以曲折波的形式的导波。
[0027]换能器的设计尤其地理解成设置其频率并且布置静态(或准静态)磁场和布置一个或多个导体路径。尤其地根据应在其中产生超声波的物体的壁的厚度调整用于产生拉姆波或剪波的换能器的高频。
[0028]通常，除了激励换能器和接收换能器，声学流速计也可具有如上所述的用于使物体磁化的装置、用于激励的电子设备和包括信号分析的接收电子设备。激励换能器和接收换能器也可通过单一的高频感应线圈实现。同样，流速计可具有用于连接各个供能单元、计算机或其它记录或显示单元的接口。
[0029]有利地，可使高频线圈在20kHz至50MHz之间、优选地在50kHz至3MHz之间的频率范围中操作以产生超声波。尤其地对于小于Imm的壁厚，在3MHz至50MHz之间的频率是有利的，而对于Imm至IOmm的典型壁厚，在20kHz至3MHz之间的频率是有利的。在该范围中，对于多种铁磁或含钢的管路材料来说，可实现尤其在5kA/m至20kA/m的范围内的磁场强度时激励超声波的激励。
[0030]为了更好地在物体中产生超声波，在根据本发明的另一构造方案中，激励和/或接收换能器的向着物体指向的侧构造成弯曲的，从而该激励换能器和/或接收换能器例如可完全地或以微小的均匀的间隙布置在带有曲率的管外壁或其涂覆层处。在此目的是，在贴靠在物体处或紧挨着物体布置时，能够得到换能器的侧、以及由此得到换能器的导体路径(其典型地位平行于侧延伸)至少基本上平行于换能器表面的取向。
[0031]在另一改进的实施形式中，激励换能器和接收换能器构造成贴靠到管处和/或甚至缠绕管。在这种情况中，为了形成静态流速计例如可缠绕管或包围管。在完全缠绕时，可沿着管的整个周围产生超声波，由此围绕在整个周围上的纵向波耦合到介质中并且可穿过整个管路横截面。由于来自所有侧的耦合以及纵向波向着相对侧的传播，内部自由管路的横截面被双重覆盖，利用高频感应线圈缠绕管的一半便足够用于获取整个管路内腔。
[0032]优选地，激励换能器和/或接收换能器借助于将被缠绕在物体上或是围绕着物体而铺设的导体路径来构造，这使装置的成本适宜并且结构简单，并且同时使完全探测物体的周边成为可能。由此，与现有技术不同地，实现了覆盖整个内部自由管路的横截面。为了提高适配性，优选地可改变导体路径的曲率。此外，通过完全的且尤其地多次缠绕物体，由于曲折的导体路径的短过渡区域从而使得干扰棱波的影响最小化。通过导体路径360°无棱波效应地缠绕物体，避免了干扰信号。
[0033]此外，当激励换能器和接收换能器至少在部分中构造成柔性的、也就是说可弯曲的以用于与不同的物体外直径和物体形状适配时，提高了根据本发明的流速计的适配性。优选地，在此其为设有电导体的薄膜或平带电缆，其可至少部分地例如围绕管缠绕。为此，流速计的保持装置可具有两个分别容纳薄膜或平带电缆的侧的可彼此摆动的臂。可使用尤其地已知的且通常成本适宜的平带电缆，其与薄膜相比通常更加耐高温。
[0034]例如在薄膜中的高频感应线圈的导体路径可构造成曲折形。其也可螺旋形地绕管缠绕。在这种情况中，曲折式指的是这样的构造方案，即，通过该构造方案(在待测量的物体的周向上)各个邻近的且尤其地平行的路径导体区段的电流方向彼此相反地指向。例如，一个或多个路径导体为多线式平带电缆，其导体如此在端侧上相连接，使得邻近的导体路径的电流方向彼此交替。
[0035]根据本发明的流速计尤其地设有两对激励换能器和接收换能器，从而在不进行从激励换能器到接收换能器的换能器切换的情况下实现在对之间的传输。为此，相应的对的换能器的导体路径优选地平行地靠近彼此布置并且尤其地彼此重叠或相邻布置。
[0036]为了完全覆盖介质流经的自由的管或物体内腔，如上所述地足够的是，激励换能器和接收换能器可定位在管的相对的侧上并且分别覆盖管外周边的180°。由此，实现完全覆盖管中的自由横截面。
[0037]为了简化激励换能器和接收换能器的定位，其可具有相互连接的可摆动的臂，通过该臂可实现在物体上的卡紧。
[0038]有利地，在使用覆盖管的整个自由内腔的流速计时，分析装置构造成用于探测和/或确定在流体中的气泡、也就是说尤其地在液体介质中的气泡大小。在此，例如对信号振幅的监控和分析不仅可确定气泡的存在，而且可确定气泡的大小，其可作为分析信号中的振幅弱化而被获取。
[0039]在优选的用于产生拉姆波的流速计的设置方案中，该流速计附加地构造成用于根据超声波信号测量壁厚(优选地通过分析传播曲线)和/或介质的压力，从而在边界条件变化时可自动地优化接收的流速信号。可尤其地使用声速与压力的相关性用于压力测量。借助于频率适配可再次调整声速变化。在其它参数、例如温度不变的前提下，被调整的频率是用于压力的度量。
[0040]通过根据本发明的构造方案实现的数毫米的小距离和由此根据本发明所带来的流速计与物体的机械脱离，已经可以测量大于180°C、优选地大于350°C的热的物体。此外，借助于相应的材料从而以耐热的方式构造激励换能器和接收换能器，使得其用于优选地无接触地测量在大于180°的、优选地在大于350°的热的物体中的流量率。
[0041]虽然根据本发明的装置优选地可由单个操作者携带并且由此不重于50kg、优选地不重于25kg，在本发明的另一构造方案中，该流速计也可构造成模块化的。其理解为这样的流速计或测量装置，即，其激励换能器和/或接收换能器可持久地定位在物体处并且可与尤其地被操作者携带的控制和分析单元相连接以测量流速，其中，附加地该流速计可具有用于产生静态的或准静态的磁场的装置。
[0042]因此，例如可保留在管处的导体路径或保留缠绕管的导体路径，并且相对于现有技术明显减少了用于快速测量多个已经被缠绕的管的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]从以下附图描述中可得到本发明的其它优点的细节。
[0044]在附图中以示意性的方式示出:
[0045]图1示出了根据现有技术的流速计的剖视图，
[0046]图2根据图1的视图示出了根据本发明的物体的一部分，
[0047]图3示出了根据本发明的物体在被涂覆的物体中的应用，
[0048]图4a、图4b示出了另一根据本发明的物体的一部分，
[0049]图5示出了根据本发明的物体的另一应用情况的图示，
[0050]图6以部分视图示出了另一根据本发明的物体，
[0051]图7 (以部分视图)示出了另一根据本发明的物体，
[0052]图8至图12示出了根据本发明的物体的激励换能器和接收换能器的配置可能性，
[0053]图13至图16示出了不同的根据本发明的物体的设置方案，这些物体在磁场的产生方面彼此不同，
[0054]图17示出了具有自动适配的根据本发明的物体的原理图，
[0055]图18示出了用于根据图17的根据本发明的物体的操作的功能图，[0056]图19和图20示出了单个根据本发明的物体的整体视图，
[0057]图21示出了用于说明根据本发明的方法的功能图，
[0058]图22示出了在另一配置方案中的根据本发明的物体。
[0059]相同或相似地作用的部件(如有必要)设有相同的参考标号。以下描述的实施例的单个技术特征也可与上述实施例的特征一起给出根据本发明的改进方案。
【具体实施方式】
[0060]图1示出了从已知的现有技术中已知的用于测量在以切面示出的管I中的介质、特别地为气体或液体的流量F的设置方案。压电的超声波换能器2与压电的超声波换能器3既可用作激励换能器也可用作接收换能器。例如从激励换能器2出发，通过楔形的声学耦合器4以角度φ I (相对于管表面的垂线5测得)使超声波信号耦合到管壁6中。设想超声
波以波束形式在管壁6中传播，该波到达管内侧7上并且在该处以角度φ3耦合到介质中。
在该介质中，作为纵向波8耦合进入的声波由于介质的流量而变化并且到达图中管壁的下部的内侧上。相对于管内壁的周围方向而言，该下部的内侧是管内壁的与耦合部位相对的侦1J,其由于在方向F上指向的波向量分量而轴向地偏移。在该下侧处，向着另一声学稱合器9再次进行着进入管壁6中的耦合。被介质影响的超声波信号穿过该声学耦合器9到达在这种情况中用作接收换能器的换能器3。在另一工作模式中，该接收换能器3则在下一个步骤中作为激励换能器工作并且通过耦合器9向着现在用作接收换能器的换能器2的方向激励超声波。显然，对于在该设置方案中的功能结构来说，重要的是超声波信号在耦合器4或耦合器9和管壁6之间的跳变间距L。在两个声学耦合器的彼此距离中的稍微的偏差导致信号的衰减或完全损失，并且由此导致更差的或者甚至没有测量结果。
[0061]在图2中(部分地)示出了根据本发明的声学流速计，除了用作激励换能器和接收换能器的第一换能器11，该流速计还具有另一用作激励换能器和接收换能器的换能器12。两个换能器11和12构造成高频感应线圈。这两个高频感应线圈11和12可在外表面13附近的管壁6的区域中感应涡流。该涡流与在图2的该实施例中由两个极靴式的永磁体14和15在管壁6中产生的静态的磁场相互作用。通过该相互作用，产生定向进入管壁中的超声波。例如，这种超声波16构造成体积剪波并且耦合到在流量的方向F上流动的介质。在管内壁的相对的侧上，纵向波再次耦合回到管内壁中并且被可在该处用作接收换能器的高频感应线圈12探测到。该装置可利用高频感应线圈11和12的不同设置方案以及利用在磁体14和15方面不同的配置方案操作，如上下文中所描述的。
[0062]如已经在图2中指出的那样，不需要使用耦合介质。由此，简化了换能器在管的附近或在管处的安装。通过在激励换能器和接收换能器和管6之间的可能的距离或者在其之间使用热绝缘的层，也可测量非常热的管。
[0063]在图3中示出了用于设有涂覆层17的管6的测量结构的示意图。为了在管6中产生超声波，不必除去涂覆层，该涂覆层在现有技术中是必要的。同时，可以简化的方式进行通过被涂覆的管的流速的测量。
[0064]激励换能器和接收换能器可例如借助于电导体构造成柔性的换能器，例如根据图4a，该导体可绕被涂覆的管缠绕。根据图4a，根据本发明的流速计具有两个包括导体路径18和19的激励换能器和接收换能器，由于该导体路径18和19完全地缠绕管因此双重地覆盖了自由的管路横截面。因此，向着相对的侧行进的波可在管中沿着整个周缘(见图4b)从管内侧耦合到介质中。这在图4b中通过总共四个双箭头8’示出。如在现有技术中已知的那样，该完全的覆盖相对于非连续的、离散的测量架构而言提高了测量精度，并且尤其地适合用于波动的流体。此外，由于该完全的覆盖，可进行可靠的探测甚至计算出气泡的大小。
[0065]这两个换能器18和19在根据图4a的设置方案中被两个磁体在其背离管的侧上交叠，这两个磁体在整个管路横截面中引起磁化。该磁体也可全面地包围管周围。在较大的管横截面的情况下，也可围绕着管在外围周向上布置多个磁体。
[0066]图5说明了根据本发明在大于180°C的热的管6中进行可靠的流量率测量时的优势。为此，在管的外表面13和换能器或是流速计之间的距离a优选地在0.1cm至5cm之间、尤其地在0.1cm至Icm之间。
[0067]在图2至图5中，分析了沿着相反的路径行进的超声波之间的时延，在图6中显示了另一根据本发明的装置的设置方案，在该装置中根据多普勒原理进行分析。在此，该装置设有仅一个形式为高频感应线圈的换能器，其不仅用作激励换能器也用作接收换能器。该换能器能够与分析电子设备一起测量由于运动的粒子产生的反射超声波的频率变化(多普勒效应)。
[0068]尤其地对于波动的流动，推荐根据图7的测量方法和设置方案。在此，特别对于波动的流是这样假设的，即，在指定的距离(所谓的关联长度)之内其波动的结构不变。在物体(在此再次为管)的纵向上以间隔开的方式分别布置有激励换能器和接收换能器。由两个换能器对11.1、12.1和11.2和12.2测量波动的流量的标识，并且通过交叉关联信号分析来确定时延。该时延是介质的流动速度F或传输率的度量。
[0069]图8至图12示出了一个或多个高频线圈的不同的缠绕或设置的序列。有利地，该高频线圈由柔性的导体制成并且例如可以被包围在柔性薄膜中的方式而抵靠着按压在物体的外周围。该柔性的高频感应线圈因此具有的优点是，其可与多种不同的管直径相适配。
[0070]换能器可构造成用于覆盖管的整个周围，例如在图11中示出。在此，高频线圈的导体路径25的单个绕组或导体路径区段以曲折的方式彼此紧挨地铺设，从而得到指向管上方的电流方向。在图8中示出了相似的换能器，然而其中，该换能器仅仅可在管的部分外周围上延伸，与在图10中相似。与图8中的换能器不同的是，该换能器与图10中的管的曲率相匹配。在图8中，在此该换能器为不与横截面为圆形的管相适配的换能器。
[0071]两个导体路径26和27的重叠(图9)也可用于构造紧凑的流速计。放射换能器和接收换能器可在几乎相同的管区域中固定，其导体路径区段彼此平行并且形成激励和接收换能器对。根据本发明的流速计优选地具有两个相同的激励换能器/接收换能器，其中，导体路径的构造方案不必一定对应于图9的构造方案。相反地，在此该导体路径也可为在其它附图中示出的导体路径。
[0072]通过导体路径的曲折形式，通常在轴向方向上引起涡流的电流方向变化，这导致了以角度耦合到管中且由此部分地在管的轴向方向上耦合的超声波的形成。在图中虚线的区段示出了在物体的不可见的侧上的导体路径的走向。代替导体路径的曲折形走向的是，也可使用周期性地交替的静态的或准静态的磁场，其例如通过交替且彼此抵靠地排布永磁体，从而具有N-S和S-N取向来产生。[0073]根据图12，单个的导体28螺旋形地并且非曲折式地绕管缠绕，其中，缠绕中的间距以及由此彼此相邻布置的单个的并排导体路径区段的间距有利地足够大，使得单个绕组所激发的涡流区域被构造为具有振幅较低的涡流。
[0074]在图13至图16中示出了带有不同的用于产生磁场的配置方案的(示意性地且再次部分地示出的)根据本发明流速计的设置方案。该流速计或者垂直于管的表面构造或者相对于物体而同轴向地构造。
[0075]在图13的实施例中，激励换能器11位于由永磁体产生的磁场B中，该磁场B沿着管I的轴向方向取向。此外备选地，在图14中示出了根据本发明的流速计的一种配置方案，在其中，被施加的磁场B垂直于管I的表面13取向。在此,两个永磁体20和21的南极指向外表面13。在永磁体20和21和管表面13之间布置所述激励和接收换能器11和12。也可通过流速计的电磁体产生磁场的不仅平行于管而且垂直于管的取向。
[0076]图15示出了这样的取向，在该取向中借助于两个电磁体22和23产生在管纵向上取向的磁场。相应地，该磁场构造在电磁体的纵向延伸中。
[0077]在图16中示出了电磁体的另一构造方案。在此，其通过例如可绕管I缠绕的导体24形成，相应地在该导体24上加载直流或低频交流电流。在这种情况中，高频感应线圈可如在图15中那样布置在管和磁体之间并且构架在磁体的极之间。该高频感应线圈也可简单地缠绕在图16中可见的导体24的绕组上。
[0078]根据本发明，声学流速计可如下构造，S卩，在进入物体，例如图17中显示的管I中的耦合点之间的可变的距离L可自动且电子地补偿。
[0079]换能器的精确定位不是必须的，通过换能器操作所用的频率的适配来进行适配。图17示出了用于两个不同频率fl和f2的超声波的单个路径。在频率fl时产生的波以
角度φ21耦合进入管壁6中，并且进一步以角度φ31耦合进入介质中。相应地，通过角度
φ22和φ32表示通过频率f2产生的超声。通过改变频率，可对波束进行取向从而在接收换能器12中实现最优的接收。
[0080]通过也可根据图18的图表自动进行的频率适配，也可补偿例如由于介质的变化、由于温度波动或压力变化引起的在介质中的声速变化。此外，通过有目的地激励拉姆波，在管中产生多个偏离轴向方向的纵向波，从而提高在轴向偏离的接收器处得到足够准确的接收信号的可能性。
[0081]根据图18，通过在测量期间交替进行的反馈回路，可适配且可选地改进信号强度。由此，找到最优的信号(“自动校准”)。
[0082]以下描述根据本发明的用于适配信号的方法。通过脉冲串发生器或频率发生器和放大器使发送换能器11操作。在接收换能器12中接收的信号用于确定流动速度。在实际的测量之间或者作为实际测量的一部分而在反馈回路中实时开始例如“频率扫描”。从多个由激励换能器输出的频率中搜寻到产生最优的接收信号的频率。
[0083]在图19和图20中示出了根据本发明的流速计的部分结构。未示出磁场生成器。在图19中，如此构造流速计的两个支架30和31，S卩，其可完全围绕管I布置。在此，该支架优选地为具有可变直径的卡箍。之后，借助于换能器35和36在管I中产生声波，其通过线32指出。在图19和图20的实施例中，相关的永磁体位于换能器35和36的壳体之内。[0084]由激励换能器35产生的信号被接收换能器36接收并且继续传输到电子设备33处，在该电子设备33中进行信号分析并且从该处将信号继续馈送到网络中。根据本发明的流速计还可具有用于显示信息项目的显示单元。对于在大于180°C、优选地大于300°C的范围中的高温应用情况来说，激励换能器和接收换能器35和36借助于支架30和31装配在附加的安装系统34上(图20)。由此，换能器35、36与管间隔开地安装并且可机械地从该处拆除。在其它方面，结构与在图19中相同。
[0085]在图21中示出了方法流程的完整的功能图。在此，为了探测流量率，通过频率生成器和放大器将信号提供给激励换能器，该激励换能器利用上述配置方案生成超声波。该所示出的配置方案为两对平行地且完全绕管缠绕的激励换能器和接收换能器。由两个接收换能器接收的信号被传输到前置放大器处。由该前置放大器将信号继续传输到叠加频率接收器处。在下游位置的积分器中，由信号探测器，例如方波振幅调制器探测到的信号被放大并且用于振幅计算和相位计算。接着从超声波的相位计算中得到流动速度，而根据振幅分析来确定液体中的气泡。
[0086]在图22中示出了在另一配置方案中的根据本发明的流速计，在该配置方案中，激励换能器设计成用于产生拉姆波40。该压力/剪波作为导波在物体中传播，这导致通过多个纵向波41均匀地通过自由空腔。由于该多个纵向波，根据本发明的这种流速计尤其在激励换能器到接收换能器之间的距离方面不敏感。在图22的示例中，尤其地根据物体的壁厚b来完成换能器的布置，也就是说根据物体的壁厚b来适配该换能器的高频。
【权利要求】
1.一种用于以非侵入的方式测量在被介质穿流的导电的物体、特别地为管或管道中的流量率或流动速度的声学流速计，所述声学流速计带有用于在物体中产生至少一个超声波的激励换能器，所述超声波在所述物体的指向介质的内侧处作为纵向波耦合到所述介质中，并且所述流速计还带有用于探测在所述物体中的超声信号的接收换能器，其中，至少部分地通过所述纵向波得到所述超声信号，其特征在于，在取消所述激励换能器与所述物体的表面的声学耦合的情况下，将所述激励换能器构造成高频感应线圈以用于在特别地为金属的物体的表面附近区域中产生可变的磁场，并且通过所述可变磁场与在所述区域中的静态或准静态磁场的相互作用产生所述超声波。
2.根据权利要求1所述的流速计，其特征在于，特别地构造成高频感应线圈的所述接收换能器构造成用于在取消与所述物体的声学耦合的情况下探测所述超声波信号。
3.根据权利要求1或2所述的流速计，其特征在于产生静态或准静态的磁场的构造，所述静态或准静态的磁场通过永磁体和/或电磁体来构造，并且沿着所述物体的轴向取向或者垂直于所述轴向取向。
4.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，对于一定的应用情况，所述高频感应线圈的导体路径、特别地为其绕组，垂直于所述物体的纵向轴线取向。
5.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器设计成用于产生体积波、尤其为切变波。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器设计成用于产生导波、尤其地η阶的拉姆波，其中η为整数且大于等于O。
7.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和/或接收换能器的定位朝向所述物体的侧而构造成弯曲的。
8.根据上述权利要求中任一项所述的用于测量在管中的流量率的流速计，其特征在于，所述激励换能器和/或接收换能器构造成用于应用到所述管处和/或缠绕所述管。
9.根据权利要求8所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和接收换能器具有将围绕所述物体而缠绕或布置的导体路径。
10.根据权利要求8或9所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和/或接收换能器至少部分地构造成柔性的，以使得可与不同的管外径相适配。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和/或接收换能器具有可至少部分地缠绕所述管的设有电导体的薄膜和/或平带电缆。
12.根据上述权利要求中任一项所述的带有具有导体路径的(激励和/或接收)换能器的流速计，其特征在于，所述导体路径曲折式地构造。
13.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和/或接收换能器设计成用于探测在所述管的整个横截面中的流速。
14.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，构造有用于探测在流体中的气泡和/或确定所述气泡的大小的分析单元。
15.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，为了使将在所述介质中产生的纵向波最优地取向，所述激励换能器操作时所处的高频优选地可自动改变。
16.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于用于根据所述超声波信号测量壁厚和/或所述介质的压力的构造。
17.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，所述激励换能器和接收换能器包括耐热的材料，使得其优选地构造成用于无接触地测量在高于180°C的、优选地高于350 V的热的物体中的流速。
18.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于模块化的结构，使得所述激励换能器和/或接收换能器可持久地定位在物体处并且可与尤其地可被操作者携带的操控和分析单元相连接以测量流速，其中，所述流速计优选地具有用于产生静态磁场的装置。
19.根据上述权利要求中任一项所述的流速计，其特征在于，所述用于产生超声波的高频线圈可在20kHz至50MHz、优选地50kHz至3MHz的频率范围中操作。
【文档编号】G01F1/66GK103582804SQ201280026958
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年2月2日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】卡斯滕·赫尹克斯, 艾夫根尼·特维道斯基 申请人:瑞士罗森股份有限公司