超声流量测量设备的制作方法

本发明涉及如在权利要求1或3的前序部分中限定的超声流量测量设备。

背景技术：

超声流量测量设备广泛地应用于过程和自动化技术中。所述超声流量测量设备实现了对于管线内的体积流量和/或质量流量的方便的确定。

已知的超声流量测量设备通常根据发射时间差原理工作。在发射时间差原理的情况下，相对于液体的流动方向对超声波特别是所谓脉冲串的超声脉冲的不同的发射时间进行评估。为此，以相对于管轴线的一定的角度在流动方向上和逆着流动方向的两个方向上发送(即发射)超声脉冲。通过发射时间差可以确定流动速度，且以此在管线截面的直径已知的情况下可以确定体积流量。

通过所谓的超声变换器的辅助产生和接收超声波。为此，将超声变换器固定在相关管线截面的管壁内。夹持式超声流量测量系统也是可获得的。在夹持式系统的情况下，超声变换器在测量管的外部被压在其管壁上。夹持式超声流量测量系统的很大的优点是其不接触被测量的介质且放置在已经存在管线上。

超声变换器一般地包括机电变换器元件，例如压电元件，以及耦合层。在机电变换器元件中，超声波被产生为声信号且经由耦合层被引入到管壁，且在夹持式系统的情况下从管壁被引入到液体内。在管内式系统的情况下，超声波经由耦合层直接通向被测量的介质内。在此情况下，耦合层也称为(但不经常称为)膜。

在压电元件和耦合层之间可布置另一个耦合层，即所谓的适配层或匹配层。适配层或匹配层在此情况下起到的作用是发射超声信号且同时降低由于在两个材料的边界处的不同的声阻抗导致的反射。

在夹持式系统和管内式系统的情况下，超声变换器都被布置在共享的平面内的测量管上，即布置在测量管的对置的侧上，在此情况下投影在管横截面上的声信号沿割线移动通过测量管一次，或布置在测量管的相同的侧上，在此情况下声信号在测量管的对置的侧上被反射，以此声信号沿在横截面上通过测量管投影的割线越过通过测量管两次。us4,103,551和us4,610,167示出了带有提供在测量管内的反射表面上的反射的超声流量测量设备。也已知多路径系统，所述多路径系统具有多个超声变换器对，所述超声变换器对在每个情况下形成信号路径，声信号沿所述信号路径延伸通过测量管。相应的信号路径和相关联的超声变换器在此情况下处在相互平行且平行于测量管轴线的平面中。us4,024,760和us7,706,986例如示出了此多路径系统。多路径系统的优点是其可测量被测量介质在测量管中在多个位置处的流动的分布且因此提供流量的高度精确的测量值。这也基于如下事实等实现，即沿不同的信号路径的单独的行进时间被不同地加权。然而，在多路径系统的情况下，缺点是其制造成本，因为在给定的情况下应用了更大数目的超声变换器且应用了复杂的评估电子器件。

存在对于信号路径加权的不同的方法。t.tresch，t.staubli和p.gruber的在proceedingsofthe6thinternationalconferenceoninnovationinhydraulicefficiencymeasurements，30july-1august2006inportland，oregon，usa中的文章“comparsionofintegrationmethodsformultipathacousticdischargemeasurements”比较了为将沿不同的信号路径的行进时间加权以计算流量所建立的方法。

ep0715155a1建议了利用多重折射的测量布置，其中信号路径的子段仅形成平行于测量管轴线延伸的一个平面。其上信号路径的第一子段结束且信号路径的第二子段开始的反射表面在ep0715155a1中示出为平面体，所述平面体放置在管的内侧上。理论上可从测量管的端部引入反射表面且然后将反射表面焊接到测量管的内壁。然而，这样的制造在带有小的标称直径的较小的测量管的情况中迅速地到达其极限，因为在小标称直径的情况下焊接设备仅能以很大的努力来应用且伴随以关于反射单元定位的精度的损失。因此，ep0715155a1的教导用于带有大标称直径的测量管。

de102008055030a1描述了通过液压成形在超声流量测量设备内而形成的连接嘴。超声变换器插入到连接嘴内。信号传输沿直的信号路径发生而没有在管壁上的反射。流量测量设备的测量管在此情况下为平的形状，使得不同于圆横截面的情况下，在此测量管的情况下在流动分布中由于涡流导致的干扰可更少地发生。

de10249542a1描述了用于将超声信号从超声变换器耦合到测量管内的耦合表面，其中耦合表面形成为相对于测量管倾斜。测量管另外包括形成的主体10，所述主体10提供了反射表面。

ep0303255a1描述了超声流动测量设备的测量管，其中反射表面与测量管一体地结合。在此情况下，测量管的横截面展宽在宽的区域上发生，且这对于测量数据的精确性是不利的。

de102012013916a1相比之下示出了带有螺纹旋入的反射表面的超声流量测量设备的测量管。在此情况下，首先形成带有螺纹的连接嘴，在所述连接嘴内可插入反射器。这种制造变体已经基本上成功地用于所有测量管，与他们名义上的直径相独立。然而，此制造要求精确地维持预先确定的孔模式且每个连接嘴必须在插入反射器前分开地被处理。

作为替选，已知的变体是管的铸造且然后将嘴焊接到测量管上，且然后螺纹旋入或焊接上反射表面。

从de2013105922a1中已知了超声流量测量设备，其带有通过高压成形方法产生的测量管。然而，几何精度和面法向以希望的角度的定向在形成的反射表面的情况下与螺纹连接的反射器相比更低。

技术实现要素：

本发明的任务是提供带有在测量管内的多个反射表面的超声流量测量设备，其中测量管可使用降低的制造时间制造而仍可建立高精确地指向的反射表面以用于设定最佳的信号路径。

目标通过权利要求1中限定的测量管、权利要求10中限定的超声流量测量设备实现。

本发明的测量管，特别是用于超声流量测量设备的测量管具有测量管壁和至少在一定的区域内的带有旋转对称性或多边形横截面的基本形状。此外，所述测量管具有直的测量管轴线(m)。

根据本发明，测量管包括至少一个功能区以用于定位反射器，在信号路径上的声信号在反射器上被反射。当然，在所谓的双横向系统的情况下，仅一个功能区可足以定位单独的反射器。这实现了反射器及其相关的反射表面的精细设定和精细定向。在类似于de102013105922a1的希望用于多次反射的测量管的情况下，当然需要多个功能区和反射器。

前述功能区由测量管壁一体地形成。并非铸造件。测量管壁优选地由金属制成。如所已知，金属是具有延展性的且可变形。类似地，如所已知，本领域一般技术人员认识到变形过程与铸造相比基于抛光样本中的金属微观/宏观结构的方向性。任何随后焊接或附着的功能区也与从变形过程形成的功能区不同，如本领域一般技术人员可立即从抛光样本的观察检测出的。

前述功能区在本发明的第一实施例中在至少一个截面图中限定了圆形段。此圆形段用作反射器的支承部。因此，圆形段通过功能区的表面形成。

功能区在本发明的第二实施例中包括止动部，所述止动部的远端端部限定了在至少一个横截面内的圆形段。止动部因此从功能区突出。在此情况下，止动面不形成封闭面，而是替代地单独的止动部的端面都位于圆形段内。圆形段用作反射器的支承部。

本发明的测量管的有利的实施例是从属权利要求的主题。

有利的是测量管在功能区的区域内具有封闭的测量管壁。在流量测量的情况下，孔的避免是重要的方面。在介质处于压力下时，每个单独的孔必须被检查其密封。另外，各种介质可侵蚀密封材料。因此，测量管应具有仅最小数目的孔。

进一步有利的是测量管具有多个用于定位相应的反射器的功能区，其中超声信号在信号路径上被反射多次。这特别地涉及信号通路内的多次反射，类似于de102013105922a1，该公开在此方面被引用。在此情况下，可使得仅一个功能区具有圆形段且实施所有其他功能区，例如在de102013105922a1中的情况。在此情况下，精细定向通过仅一个反射器进行。

然而，特别有利的是功能区中的每个在至少一个横截面内限定圆形段，所述圆形段用作反射器的支承部，或功能区的每个具有止动部，所述止动部的远端端部在至少一个截面图中限定圆形段，所述圆形段用作反射器的支承部。

功能区或多个功能区可有利地定向为使得具有功能区的测量管段至少从测量管的基本形状向外突出。

有利的是测量管在测量管壁的基本形状和功能区之间的过渡区域中具有金属晶粒结构(metalgrainstructure)，所述金属晶粒结构具有在测量管的轮廓的方向上的定向。这是成形过程的唯一的指示，以此指示也可制造带有更小的片厚的测量管。这特别地涉及具有金属片的测量管壁的测量管，优选地带有1至5mm的金属片厚度。

特别地有利的是至少一个功能区由测量管通过内部高压成形方法成形。

特别有利的是在所有垂直于测量管轴线的截面图中的功能区限定了圆形段，所述圆形段用作反射器的支承部。这意味着反射器不仅在一个移动自由度上可精细调整，而且替代地例如在球结合的情况下在许多自由度上可定向。类似地，此优点也对于带有从功能区突出的的止动部的第二实施例有效。

本发明的超声流量测量设备包括本发明的测量管、用于在信号路径上发送声信号的发送器和用于接收信号路径上的声信号的接收器。

本发明的测量管包括至少一个反射器，所述反射器具有至少一个反射表面。

在本发明的第一实施例中，反射器包括连接表面，所述连接表面在至少一个截面图中限定了圆形段。在本发明的替选的第二实施例中，反射器包括连接表面，在至少一个截面图中限定了圆形段的止动部从所述连接表面突出。

圆形段实施为与测量管的功能区的圆形段互补。这意味着其具有大致相同的弧度。反射器被布置在测量管的功能区上。

通过反射器与功能区的相互作用，保证了用于理想的信号路径的的定向的反射表面的精细设定。

超声流量测量设备的有利的实施例是从属权利要求的主题。

有利的是测量管具有多个反射器，其中声信号在信号路径上被反射多次，特别是其中声信号在每个反射器的反射表面上被反射至少一次。

为记录尽可能详尽的流动分布，有利的是信号路径由直的子段组成，其中：

a)至少三个子段的最小距离具有距测量管轴线的0.4至0.6r的间隔，其中r为测量管的内径；

b)限定了第一轴向平行平面的第一子段具有直接对应的第二子段，所述第二子段限定了第二轴向平行平面，两个平面延伸通过第一反射器的反射表面且法向量形成小于10°的角度；

c)限定了第三轴向平行平面的第三子段具有直接对应的第四子段，所述第四子段限定了第四轴向平行平面，两个平面延伸通过具有反射表面的第二反射器，且法向量形成小于10°的角度。

另外有利的是超声流量测量设备考虑到对于旋转流动的旋转平衡。

本发明的用于制造超声流量测量设备的测量管的方法包括如下步骤：

a.通过成形方法特别是通过高压成形方法将测量管变形而引入多个功能区，其中每个功能区在至少一个截面图中描述且限定了圆形段作为用于反射器的限定的位置；

b.将反射器定位在功能区上，其中反射器具有与功能区互补的区，其中定位优选地以使得在测量管壁和反射器之间实现形状配合的形式发生，

c.将反射器定向以设定预先限定的超声信号路径，和

d.将反射器固定到测量管壁。

此方法对于制造简单且安全，且通过信号路径的精确调整可改进测量设备的制造时间和质量。

特别有利的是反射器的固定可通过将箔状中间层引入到测量管的功能区和反射器的连接表面之间且通过反应性结合来发生。

现在将描述本发明的超声流量测量设备的其他有利的实施例。

本发明的测量管可分为单独的测量管段或通过焊接相互连接的或一体地无缝地相互连接而因此不带有焊缝的部分。后者情况是优选的，因为测量管段或部分的无缝过渡在制造上可特别地成本有效且节约时间。此外，可消除附加的制造步骤和补充的组件。基本形状可仅部分地实施，特别地经由从测量管的第一部分的仅一个测量管段实施，或实施为在测量管的整个进程上延伸。在管构造的范围内带有旋转对称或多边形横截面的已知的基本形状例如为柱形形状或经常为应用于气体管线中的带有方形侧面的管线。当然，不同于通常的管几何形状的例如带有棱形侧面的管也包括在本发明的主题内。

此外，超声流量测量设备包括用于在信号路径上发送声信号的发送器和用于接收信号路径上的声信号的接收器。术语发送器和接收器在本发明的场境中应理解为发送器和接收器可通过相同的超声变换器满足。对应的超声变换器在此情况下包括用于发送操作的操作模式且以此操作模式作为发送器工作。超声变换器附加地包括用于接收操作的操作模式且以此操作模式作为接收器操作。在发送超声信号之后，超声变换器可从发送模式切换到接收模式，同时超声信号在测量管内行进了信号路径。超声信号可在其行进中垂直于反射表面指向且因此返回到已行进的信号路径上，直至达到出发的超声变换器。当超声信号到达超声变换器时，超声变换器处于接收模式且代表了接收器。就此而言，变送器和接收器通过两个电路布置(一个电路用于发送模式且一个电路用于接收模式)实现在相同超声变换器内。然而，明显地更频繁且更优选地被本发明的主题涵盖的是作为发送器和接收器的至少两个超声变换器的布置，所述超声变换器的每个在发送操作模式和接收操作模式之间可切换。用于确定流速或体积流量的测量通过本质上已知的行进时间差方法执行。

测量优选地使用超声信号在测量管内的多次反射完成。优选地，在此情况下，超声信号优选地在轴向方向上传播通过测量管，然而不具有平行于测量管轴线的历程。多次反射在此情况下特别地具有补偿测量干扰的目的，所述测量干扰由于流动的旋转所导致。

为实施多次反射，测量管包括多个反射器，在所述反射器上声信号在信号路径上被反射多次，优选地在每个反射表面上至少被反射一次。已知实现了在测量管壁上的单次反射的大量的测量设备。这称为双横向布置。

本发明也可应用于双横向布置。然而，本发明特别优选地针对多次反射布置，在此情况下超声信号在测量管中在信号路径部分上被相继反射多次。

用于容纳反射器的功能区在此情况下通过测量管壁一体地形成。在此方面，一体地形成意味着功能区不作为焊接到测量管上或内的单独的组件提供，而是替代地通过测量管壁提供。在此情况下，测量管壁在功能区的区域内变形且在此区域内从其基本形状偏离。一体地形成的反射表面从de19861073a1或也从us5,090,252a中已知。然而，这些反射表面导致测量管横截面的缩窄或展宽且以此相当程度上改变了流动分布。

作为反射器的此明显地更可变的定向的结果，可实现更复杂的信号路径历程，且可高度精确地设定信号路径。

本发明的有利的实施例是从属权利要求的主题。

功能区可预定向且定向为使得多个功能区至少从测量管的基本形状向外突出。作为此布置的结果，可非常容易地实现优化的信号路径历程。

功能区形成在测量管壁中，其方式使得在测量管内发生多次反射，其中信号路径在在轴向方向上相继布置的反射器的至少三个反射表面上反射。作为相继布置的反射器的结果，在通过信号路径限定的测量范围上产生的流动分布的改变可至少部分地被记录和补偿。

在快速流动的情况下，超声信号可能从相应的反射表面上的理想的冲击点偏离。此偏离在随后的反射表面上继续且在带有多次反射的最坏的情况下可能导致信号损失。此误差在本发明的场境中限定为扩散。为防止扩散，有利的是反射器的反射表面或多个反射表面被实施为带有优选地凸出的反射表面弯曲。在柱形管的管壁也被实施为凸出的管壁时，反射表面弯曲的轮廓在此反射表面的情况下与测量管壁的弯曲不同。此差异可能明显地导致在恒定的中心角的情况下的不同的圆弧长度，或具有不位于测量管轴线上的顶点的中心角。

至少一个功能区有利地由测量管通过内部高压成形方法形成。内部高压成形方法也已知为液压成形。在此情况下，通过内部压力使外轮廓变形。在测量管元件之间的软的圆的过渡是此技术的关键特征。因为测量管的管内部作为结果不具有阻碍流动的尖锐的边沿，所以此技术是特别地优选的。另外，在此成形技术的情况下测量管的生产时间明显地短。

连接嘴可由平面的功能区通过流动钻孔过程形成。以此方式，连接嘴从测量管壁通过材料挤压一体地形成。因此不必生产用于连接嘴的专门的组件且不必将其在特殊的制造步骤中焊接，这意味着工作时间的成本的降低。特别地优选地，螺纹可形成在这些连接嘴中。

有利的是测量管具有比所述测量管的第一部分更大的一个或多个其他的测量管段或部分，其中这些测量管段的扩宽通过测量管的内部高压成形来进行。带有更小的测量管横截面的第一部分提供了所实现的测量效果的增加。这通过流速的增加且因此在根据行进时间差方法的测量情况下更大的δt来实现。

功能区特别地以这样的方式形成在测量管内，且反射器以这样的方式定向，使得信号路径的偏转以使得信号路径的分别相继跟随至少三个路径部分不与测量管轴线交叉的方式发生。作为此布置的结果，在不同的平面上记录了流动分布。可更好地补偿在流动分布中的对称的和非对称的涡流。

信号路径的历程可在轴向俯视图中描绘出多边形，所述多边形的相交侧点处在测量管上或外侧。作为信号路径的此历程的结果，测量设备特别地在测量中可考虑且补偿旋转的流动的旋转平衡。

附图说明

本发明现在将基于附图更详细地解释，各图为：

图1是本发明的超声流量测量设备的轴向俯视图；

图2是现有技术的超声流量测量设备的部分透明的透视图；以及

图3是图2的超声流量测量设备的测量管的壁中的反射器的定位的图。

具体实施方式

诸如本发明的超声流量测量设备的超声流量测量设备广泛地应用于处理和自动化技术中。所述超声流量测量设备实现了对于管线内的体积流量和/或质量流量的容易的确定。已知的超声流量测量设备经常根据行进时间差原理工作。在行进时间差原理的情况下，超声波——特别是所谓的脉冲串的超声脉冲的不同的行进时间相对于液体的流动方向被评估。为此，以相对于管轴线的一定的角度顺着流动或逆着流动发出超声脉冲。从行进时间差可确定流速，且以此在管线直径已知的情况下可确定体积流量。

超声波借助于所谓的超声变换器产生和接收。为此，将超声变换器固定在相关的管线部件的管壁内。也可获得夹持式超声流量测量设备。在此系统的情况下，超声变换器在测量管外被压在所述测量管的管壁上。然而，在现在所考虑的情况下，优选的是所谓的管线内流量测量设备，在此情况下超声变换器固定地整合在测量管内且超声信号通过所谓的超声窗从超声变换器直接进入到介质内。

在本发明的流量测量设备中，通常应用超声变换器。这些超声变换器一般地包括机电变换器元件，例如压电元件，以及耦合层。在压电元件和耦合层之间可布置另一个耦合层，即所谓的适配层或匹配层。适配层或匹配层在此情况下起到的作用是发射超声信号且同时降低由于在两个材料的边界处的不同的声阻抗导致的反射。可提供其他所谓的耦合层和/或匹配层以及金属盘和/或层，以用于更好的温度调节。

在从现有技术中已知的夹持式系统的情况下以及在从现有技术中已知的大多数管内系统的情况下，超声变换器在共享平面内布置在测量管中上，处在测量管的对置侧上，在此情况下投影在管横截面上的声信号沿割线移动通过测量管一次，或布置在测量管的相同的侧上，在此情况下声信号在测量管的对置的侧上被反射，以此声信号沿在横截面上通过测量管投影的割线越过通过测量管两次。

在本超声流量测量设备中，超声信号在测量管内的反射表面上发生多次反射。作为分离为多个信号路径的结果，超声流量测量设备的流动分布可被更好地记录。另外，流动旋转和流动干扰可通过在测量管内的多个信号路径部分上特别有利地引导信号路径而被消除。

图2示出了如从de102012013916a1和de102013105922a1中已知的超声流量测量设备101的构造，对此，在本发明的场境中进行了详尽的引用。如在图2中所指示，反射器103固定在超声流量测量设备101的测量管102内。这通过将反射器103螺旋到为之提供的座内来发生。旋入的反射器103在图3中详细示出。

在图2的透视图中，附加地示出了两个超声变换器，所述超声变换器实施为发送器115和接收器116。测量信号的评估和转发在变送器113中发生，所述变换器113在本示例中经由连接件114固定到测量管。

发送器、接收器、变送器113和连接件114的此布置以及信号路径的历程在构造上等同地可应用于图1，现在将对其进行论述。

在图1中简化地示出的实施例是根据本发明的相对于图2和图3修改的实施例。仅示出了测量管1的简化的截面。测量管1包括测量管壁2。图1示出了测量管壁2具有一体地形成的区，所述区与测量管壁的基本形状(在此为柱形)偏离。此区在此称为功能区4。

与图2和图3中不同，成形方法的应用不造成平面，而是替代地造成了弯曲的功能区4。此弯曲的功能区4是测量管壁2的部分且用于容纳和引导反射器3。功能区的弯曲使得功能区4的横截面描绘了圆形段。功能区4从内侧压入到测量管壁2内且在测量管1的周部上从测量管1的柱形的基本形状向外突出。测量管的成形可特别优选地通过也已知为液压成形的内部高压成形方法进行。在此情况下，内部压力使测量管的轮廓在一定的区域内变形。因为测量管的管内部因此不具有阻碍流动的尖锐边沿，所以此技术是特别地优选的。另外，在此成形技术的情况下测量管的生产时间特别地短。

圆形段可存在于仅一个截面图中，或特别优选地存在于垂直于测量管轴线而通过测量管的所有截面图中。在前者情况下，在三维延伸的情况下这特别地涉及柱形表面部分，因此为柱形表面的子段或椭圆形的表面部分，因此为椭圆形表面的子段，且在后者情况下这涉及球表面部分，因此涉及球表面的子段。

弯曲的功能区首先用于在测量管内引导且定向反射器3。在此情况下，对应的反射器3具有带有柱形表面部分、椭圆表面部分或球形的主体。此主体例如可如在图1中所示直接与反射表面5连接，或可提供与柱形表面部分连接的特殊的主体。与反射器相关联的柱形表面部分、椭圆表面部分或球形表面部分优选地形状配合地靠着测量管壁的功能区的柱形表面部分、椭圆表面部分或球形表面。

然而，也可在更不优选的实施例中使得反射器或功能区具有肋部和/或突出部，其远端端部结束在至少一个截面图中都结束在相同的圆形段上。

反射器可然后被定向以用于实现测量管的内部内的最优的声路径，且随后固定到测量管壁。此固定可使用多种技术完成，例如粘合、铜焊或钎焊。然而，特别理想的是将反射器焊接到测量管，特别地在圆形段的区域内焊接到测量管。

固定也可借助于箔状中间层进行。此固定技术已知为“反应性结合”且通过m.wiemer，j.braeuer，d.wuenschandt.gessner等在出版物“reactivebondingandlowtemperaturebondingofheterogeneousmaterials”ecstransactions33(4)，pp.307-318中描述。特别地优选地，中间层也可以是金属箔，所述金属箔实现了反射器和测量管壁之间的以氧化还原反应的材料结合。在此情况下，可能的氧化还原反应是热剂反应。特别的优点是在反应性结合材料的情况下用于材料结合的活化能相对低，使得例如低的热能、电压、机械能或光能足以启动反应。

作为总结，制造以上所述类型的测量管的特别地优选的实施例包括如下步骤：

1.通过成形方法将测量管变形，特别地通过高压成形方法，从而引入多个功能区，其中每个功能区在至少一个截面图中描述且限定了圆形段作为反射器的限定的位置；

2.将反射器定位在功能区上，其中反射器具有与功能区互补的区，其中定位优选地发生为使得反射器与测量管壁形状配合；

3.将反射器定向，以设定预先限定的超声信号路径，和；

4.例如通过焊接固定反射器。

反射器的定位和定向可优选地通过辅助设备和工具进行，且角度可被预设定。

例如，通过电流脉冲可发生固定。

此类型的安装的特别的优点除反射器的精细定向外在于测量管不要求在反射器的位置处的开口以用于固定，且因此测量管维持为封闭的单元。

附图标号列表

101超声流量测量设备

102测量管

103反射器

113变送器

114连接件

115发送器

116接收器

1测量管

2测量管壁

3反射器

4功能区

5反射表面