测量设备的制作方法

本发明涉及测量设备，特别地涉及通流测量设备。

背景技术

在由介质特别是液体穿过的系统中，经常需要检测相应介质的通流量(throughflowquantity)或流速。

为此，例如，已知磁感应通流测量设备(mid)。这些设备根据磁场使流过测量管的介质中的带电粒子偏转的原理操作。通常，在测量管上布置两个线圈，所述两个线圈在测量管的内部生成与通流方向垂直的磁场，其中，平行于磁场，放置至少两个电极，通过磁场偏转的带电粒子在所述至少两个电极上生成测量电压。该测量电压与电荷载流子的流速成比例，并且因此与介质的流速成比例。

另一种测量方法使用表面声波(saw)，通过该测量方法可以尤其地确定测量管被穿过的横截面。对于这种测量方法，介质与在其中激发表面声波的声波导直接接触，其中，对表面波的类型和频率进行选择，使得实现将部分耦出至介质中。所生成的体积声波穿过介质并在与介质接界的表面上反射，使得它们再次撞击波导。在那里，体积声波中的一部分再次作为表面声波耦合至波导中并且以相同的方式继续下去。因此，在距发射器一定距离处布置在波导上的声学接收器上获得特征信号，使得能够得出关于介质的特性的结论。

技术实现要素：

本发明的目的是创造一种紧凑的测量设备，该测量设备提供对介质的特性例如介质的流速的精确测量。

该目的通过具有如下特征的测量设备得以解决。测量设备包括：要由介质沿通流方向穿过的测量管；以及均布置在测量管上的磁感应测量设备和声学测量设备。磁感应测量设备包括：生成延伸穿过测量管的内部的磁场的至少一个线圈；以及布置在测量管上的两个电极，所述两个电极可以获取测量信号。声学测量设备包括：测量管的壁的至少一部分，其用作用于表面声波的波导并且相对于介质形成边界表面；以及用于在波导中激发表面声波的至少一个发射器和用于接收来自波导的表面声波的至少一个接收器，所述至少一个发射器和所述至少一个接收器在距彼此一定距离处声学地耦合至波导，其中，发射器与接收器之间的距离被选择成使得由发射器激发的声波至少部分地传播通过介质，并且其中，声学测量设备的发射器和接收器相对于通流方向串联地布置。

除了经由磁感应测量设备进行的测量以外，经由声学测量设备进行的测量尤其使得能够准确确定测量管被穿过的横截面，并且因此与经由磁感应测量获得的流速一起确定介质的通流量，即确定介质的体积流量。当已知介质的密度时，也可以确定质量流量。

此外，由于声学测量设备的发射器和接收器沿通流方向布置，所以也可以独立于磁感应测量设备对流速进行测量，这另外提供了对测量精度的改善。这种用于测量流速的冗余方法还可以用于不包含或仅包含少量带电粒子的介质中，其中，流速不能或难以仅通过磁感应测量设备来检测。

测量管可以具有任意横截面，这是因为在每次测量操作中可以经由声学测量设备确定准确的被穿过的横截面积。

以这种方式，也可以检测到被穿过的横截面的变化。除了具有正穿过介质的测量管的当前填充高度以外，还可以检测测量管的内壁上的沉积物，例如由于正穿过的介质造成的腐蚀或机械损伤产生的如石灰沉积物或者烧蚀(ablation)，并且因此可以在确定体积流量时予以考虑。

优选地，对声学测量设备的发射器和接收器进行设计，使得表面波可以在时间上偏移的各个波脉冲中被激发，并且该表面波也可以在接收时临时分解。测量的内容优选地至少为信号的强度、频率和/或运行时间延迟。通过对信号的评估可以确定介质的若干特性，除了测量管被穿过的横截面和流速以外，例如还可以确定介质的密度、粘度和温度。

发射器和/或接收器优选地进行压电操作，特别地，它们可以包括压电叉指式换能器。发射器和/或接收器均可以由具有直接安装在波导上的叉指式电极的压电换能器来形成。

这里，波导被限定为发射器与接收器之间沿测量管的最短距离。波导有利地是测量管的整体的一部分并且由在发射器与接收器之间延伸的测量管的壁部分形成。然而，波导可以与测量管的其余部分不同，例如，不同在于波导的外表面和/或内表面的几何形状。因此，可以在波导的区域中部分地改变表面的形状以及测量管的厚度，以选择性地引起表面波的传播的差异。波导的厚度可以被选择成使得所激发的表面波沿波导的两个表面传播。

波导的壁厚有利地是沿其整个纵向延伸相同。这在当多个发射器和/或接收器安装在波导的外表面上时也是有利的，因为所有的表面声波可以在相同的条件下在波导上传播。

声学测量设备的发射器和接收器优选地位于沿波导的直线上，特别地位于与通流方向平行的直线上。然而，它们也可以例如布置在测量管的壁的相对的部分上。

为了实现声波在介质中足够的行进路径，发现当声学测量设备的发射器与接收器之间的距离至少与测量管的内径对应时是有利的。

磁感应测量设备的线圈优选地相对于通流方向布置在声学测量设备的发射器与接收器之间。这使得测量设备的结构紧凑。以这种方式，两个测量设备的测量数据也在测量管的相同区域中被收集，这特别地提供了从磁感应测量设备的测量数据获得的流速与由声学测量设备收集的测量数据的更精确的组合，通过该组合获得被穿过的横截面。以这种方式，特别地恰当地考虑了当前的填充高度和/或由于测量管的内壁上的沉积物和/或烧蚀物引起的横截面的变化。

磁感应测量设备的电极中的每一个的测量表面有利地平行于测量管的内壁延伸并且可以跟随该内壁的曲率。优选地，电极在测量管上彼此相对地布置。大多数情况下，至少电极的测量表面形成测量管的壁的一部分。它们也可以至少部分地形成声学测量设备的波导。因此，电极的测量表面至少大致与在测量管的内部延伸的磁场线平行。相对于测量管的横截面连接电极的测量表面的中心的假想直线以及例如在平坦电极的情况下也形成为测量表面的表面法线的假想直线可以垂直于磁力线和通流方向，并且因此大致平行于介质中带电粒子的偏转方向。

在操作状态下，即测量设备执行测量的状态下，测量管优选地总是具有相同的取向。该取向通常与其中测量管牢固地安装在由介质穿过的系统中的内置状态对应。在操作状态下，测量管优选地水平布置以能够保持被穿过的横截面沿着测量管的长度尽可能恒定。

在优选的实施方式中，在操作状态下发射器和接收器布置在测量管的位于沿竖直方向的底部的部分上。以这种方式，确保了即使测量管具有仅部分填充的横截面的情况下波导也总是与介质接触。

然后，磁感应测量设备的磁场有利地沿竖直方向在测量管内延伸。

原则上，这里，竖直方向总是也包括测量管相对于准确的竖直线倾斜约+/-30°。

当在测量管的横截面中察看时，波导有利地相对于磁感应测量设备的电极之间的假想连接直线的中心对称地布置，使得在具有仅部分填充的测量管的情况下，介质水平在两个电极处大致相同。在圆形横截面的情况下，连接直线的中心与测量管的横截面的中心重合。然后，电极之间的假想连接直线优选地大致水平延伸。除此以外，在该实施方式中，电极优选地与波导分开设置。

在另一优选的实施方式中，与之相比，声学测量设备的发射器和/或接收器布置在电极中的一个上。电极可以被配置成波导的一部分或者可以形成波导。优选地，发射器和接收器沿通流方向相继布置在同一电极上。当然，也可以想到将发射器和接收器布置在不同的电极上。优选地，该实施方式与始终完全填充的测量管一起使用。

在操作状态下，磁感应测量设备的电极可以在测量管的下部区域内延伸，特别地沿竖直方向在测量管的高度的约0％至50％、0％至40％、或0％至30％的区域内延伸。以这种方式，低填充水平也可以被安全地检测。

通常，电极可以沿竖直方向在测量管的高度的约10％至100％的范围内延伸，优选地在测量管的高度的70％至100％的范围内延伸。电极的最佳竖向延伸尤其地取决于测量管的横截面的形状。

电极可以嵌入至测量管的壁中特别地以使得它们与介质不接触。在这种情况下，电极用作电容器，并且实现电容信号获取。

然而，电极也可以直接布置在测量管的内壁上使得它们与介质接触，其中，在这种情况下，实现电流信号获取。

线圈优选地布置在测量管的外壁上。

有利地，在测量管的横截面中设置彼此面对的两个线圈，所述两个线圈生成磁场。例如，可以基于操作状态将一个线圈布置在顶部，而将另一线圈布置在底部，使得沿测量管的横截面的磁场垂直于测量管的延伸方向(course)，因此垂直于通流方向。

至少在磁感应测量设备的区域中，测量管的内壁应当是非导电的和/或非磁性的，当然除了电极之外。为了能够将电信号传输至外部处理单元，当然，电极应当总是导电的。

至少在磁感应测量设备的区域中可以将测量管配置成两层的形式，其中，内层由非导电且非磁性的材料制成。特别地，可以将由塑料或陶瓷制成的所谓的衬里的薄内管作为内层插入至尺寸稳定的外管中，优选地，所述外管由非磁性金属制成。

声学测量设备的波导总是至少部分是管壁的一部分，这是因为它总是可以将表面声波耦合至介质中。然而，波导可以随意地由内层的一部分单独形成或者由内层的一部分与外管一起形成。这取决于所使用材料的声学特性以及外管与内层之间的过渡部的声学特性。也可以在两层之间布置单独的材料部分并将其与内层的下面部分一起用作波导。相应地，发射器和接收器可以布置在内层与外管之间。

除了确定介质的特性例如流速或通流量以外，根据本发明的通流设备还可以用于测量设备特别是测量管的故障诊断的方法。

通过对声学测量设备的测量信号进行信号评估，可以检测例如测量管中的沉积物的厚度、烧蚀深度、裂纹以及微裂纹，电极与测量管的内层或外管的分离、或一般地管壁与电极之间的间隙、或内层与外管之间的间隙。以这种方式，例如，还可以检测到极小的泄漏点。

附图说明

下面将参照附图通过几个示例性实施方式来详细描述本发明。在附图中：

图1示出了根据第一实施方式的本发明的测量设备的示意性透视图；

图2示出了图1中的测量设备的示意性剖视图；

图3示出了根据第二实施方式的本发明的测量设备的示意性剖视图；

图4和图5示意性地示出了揭示根据本发明的测量设备的磁感应测量装置的电极的可能布置的剖视图；以及

图6示出了根据第三实施方式的本发明的测量设备的电极的示意性图。

具体实施方式

图1和图2示出了根据第一实施方式的测量设备10。

测量设备10包括线性地延伸的细长的测量管12，介质m能够沿着与测量管12的纵向轴线一致的通流方向d流过测量管12的内部。

介质m可以是任何流体，例如液体或气体，但也可以是不同质的液体，例如散布有气泡或包含固体的液体。介质也可以是高粘性、面团状、凝胶状或糊状的。

附图以其处于执行测量的操作状态下的取向示出了测量设备10。该操作状态也与其中测量管12牢固地集成到合适的系统中的内置状态对应。测量管12沿通流方向d即垂直于竖直方向v延伸。

在测量管12上布置有磁感应测量设备14和声学测量设备16。

磁感应测量设备14包括布置在测量管12上沿竖直方向v彼此相对的两个线圈18以及沿水平方向h彼此相对的两个电极20，所述两个电极20在通流方向d上如所看到的与线圈18在同一水平(level)上。

电极20分别具有测量表面22，该测量表面在形状上跟随测量管12的内壁。测量表面22电连接至馈电线24以使其从测量管12的外部被接触，其中，测量表面22与馈电线24相比具有较大的扩展。馈电线24用于将在电极20处生成的测量信号传输至处理单元(未示出)。

声学测量设备16包括沿通流方向d布置在线圈18的两侧上的一个或更多个发射器26a和接收器26b以及在发射器26a与接收器26b之间延伸并形成与介质m的边界表面的波导28。波导28至少部分地由测量管12的壁形成。发射器26a和接收器26b被附接至波导28的与介质m的边界表面相反的一侧上。

为了生成和耦出表面声波，或者为了接收进入或离开波导28的表面声波，发射器26a和接收器26b可以包括直接施加在波导28上的所谓的叉指式换能器。这里，发射器26a与接收器26b之间的距离至少对应于测量管12的直径。

在这个示例中，发射器26a也可以操作为接收器26b，并且接收器26b也可以操作为发射器26a，所以这里未明确区分发射器与接收器。

发射器26a和接收器26b经由馈电线29电接触。

在该实施方式中，发射器26a和接收器26b以及介于中间的波导28布置在测量管12的相对于竖直方向v的下部上。

如图2和3所示出的，波导28基于测量管12的横截面关于电极20的测量表面22的中心之间的假想连接直线的中心p对称地布置。

在这些示例中，测量管12由两层组成。在由非磁性金属制成的刚性的尺寸稳定的外管30内布置有由塑料或陶瓷材料制成的薄内层32(所谓的衬里)，其中，由此形成的两个层连续且牢固地连接至彼此例如粘合在一起。

可替选地，测量管12也可以设计为由塑料或陶瓷制成的一层。

在该示例中，电极20的测量表面22嵌入至测量管12的内层32中，使得它们是测量管12的内壁的一部分并且可以与流过的介质m接触。在这种情况下，电极20由耐腐蚀材料制成，例如不锈钢、铬-镍合金、铂、钽或钛。图4再次详细示出了这种布置。

可替选地，电极20的测量表面22嵌入至测量管12的壁中，特别地嵌入至内层32中，以使得测量表面22与介质m不接触。图5中示出了该变型。

如图3所示的测量设备10的第二实施方式与刚刚描述的第一实施方式的基本不同之处在于测量管12的内部横截面是矩形的而非圆形的，以及在于电极20的测量表面22沿竖直方向v形成得更大。

在第一实施方式中，测量表面22的竖向延伸被限制在测量管12的水平直径之上和之下的小区域，并且占测量管12沿竖直方向v的高度h的约10％至25％。

在第二实施方式中，与之相比，测量表面22原则上在测量管12沿竖直方向v的整个高度h上延伸。

在第二实施方式中，线圈18布置在测量管12的上侧和下侧。

在两个实施方式中，对于完全填充的测量管12以及对于填充有仅最高至一定填充高度34的介质m二者均可以确定通流量。当测量管仅部分地填充有介质m时，位于填充高度34之上的测量管12的横截面通常填充有空气。

利用第二实施方式的测量设备10，在非常低的填充高度34下也可以执行精确的测量，这是因为电极20的测量表面22总是有足够部分与介质m接触。

图6示意性地示出了根据第三实施方式的测量设备10的电极20'。

这里，发射器26a和接收器26b布置在电极20'的测量表面22'上。测量表面22'以如下长度相应地沿通流方向d形成，所述长度使得发射器26a和接收器26b可以以与至此所描述的实施方式中相同的距离被布置。发射器26a和接收器26b可以导电地连接至测量表面22'，并且经由单独的馈电线29接触。同时，电极20'的馈电线24也可以形成用于发射器26a和接收器26b的电连接。

在这种情况下，测量表面22'也形成声学测量设备14的波导28。

可以形成像这样两个电极20'中的仅一个，但是两个电极20'也可以均承载发射器26a和/或接收器26b。

根据该实施方式的测量设备10有利地总是以测量管12的完全被穿过的横截面来操作。

为了确定通过测量管12的通流量即体积流量，一方面借助于磁感应测量设备14执行测量以确定介质m的流速v。

为此，使特定的电流通过线圈18，从而获得磁场b，该磁场b的磁力线沿竖直方向v在测量管12的内部延伸。

介质m中的带电粒子在磁场b中横向地偏转并撞击在电极20、20'的测量表面22或22'上，并在那里产生电荷转移，从而在电极20处获得测量电压u，根据该测量电压u可以导出介质m的流速v。它适用于：u＝kbdv，其中k＝比例因子，b＝磁场，以及d＝电极距离(这里d为测量管12的直径)。

另外，借助于声学测量设备16来执行测量。

为此，发射器26a在发射器26a紧下方的波导28中激发表面声波。这些表面波沿波导28延伸，尤其地沿接收器26b的方向延伸并且在接收器26b处被检测到。

由于介质m与波导28的直接边界表面，声表面波的能量中的一部分在边界表面处的测量管12的内壁上被耦出至介质m，并从那里作为体积声波以传播角δ穿过介质m。在测量管12的内部空间的相对壁上，体积声波被部分地反射。在最常见的情况下，介质m中的声速cm小于波导28中的表面波的声速cs，体积声波以不同于0的角耦出，并且体积声波可以通过介质m内的多次反射覆盖沿波导28的空间距离。以这种方式，体积声波沿着测量管12传播通过介质m。

为了能够将在波导28的与介质的边界表面相反的一侧上激发的表面声波耦合至介质中，优选地激发兰姆波(lambwaves)即其波长比发射器26a与介质m之间的波导28的厚度(即特别地，测量管12的壁厚)长得多的波。在这种情况下，波导28的上侧和下侧均移动，其中，振动也具有纵向分量。因此，这种类型的激发适于耦出体积声波。也可以选择波导28的厚度的数量级的被激发的表面声波的波长，然后在兰姆波与瑞利波(rayleighwaves)之间的过渡区域中激发表面波。

当波导28的厚度明显小于表面声波的波长时，激发的兰姆波的幅度在波导28的两个表面上基本相同。另一方面，当波导28的厚度处于与表面声波的波长相同的数量级中时，表面波的幅度在表面波被激发的表面和相对的表面之间通常是不同的。然而，在这两种情况下，均可以耦出纵向体积声波，因为在两个表面上，表面声波也都具有纵向分量。

每当耦出的体积声波撞击测量管12的内壁时，表面声波转而被耦合至波导28中是可能的。然后它们穿过波导28到接收器26b并且同样在接收器26b处被接收。

可以对发射器26a和接收器26b进行操作，使得表面波在沿通流方向d或逆通流方向d被发射。

当发射器26a对表面声波的激发在单独的波脉冲中实现时，有利的是对两个波脉冲之间的时间间隔进行选择，使得直接表面波和所有可检测的体积声波在下一个脉冲被触发之前都已到达接收器26b处。

通过对接收到的声信号进行分析，例如关于由发射器26a发射的波脉冲与到达接收器26b处的信号之间的运行时间延迟并且经由接收信号的时间进程，可以得出关于介质m的穿过的横截面和特性的结论，例如介质m的浓度、粘度、密度、声速、温度以及同质性。也可以仅通过声学测量来确定介质m通过测量管12的流速v。因此，测量设备10也可以用作用于介质m的不同特性的多功能测量设备。

然而，最重要的是，通过声学测量来确定测量管12在根据本发明的磁感应测量设备14的区域中的准确的被穿过的横截面。与流速v一起，将得到通流量。

当然，测量管12被穿过的横截面取决于填充高度34，但也取决于测量管12的内壁的状况。这里，例如可以形成沉积物36(作为示例，参见图2)，原始横截面由于沉积物36而被缩小。另一方面，腐蚀或磨损也可能导致烧蚀，使得原始横截面随着时间的推移而增加。然而，声学测量总是反映测量管12的实际状况。

对磁感应测量设备14和声学测量设备16的测量信号的评估在测量设备10的特定的未示出的电子控制单元中实现。该电子控制单元通常也负责执行针对即定时控制地生成流过线圈18的电流以及通过相应的发射器26a生成表面波的测量。

由于也可以仅通过声学测量设备16来确定流速v，因此测量设备10也可以用于具有低导电率和相应少量带电粒子的介质。

此外，声学测量设备16还通过评估由接收器26b测量的声学信号来为测量设备10提供故障诊断。以这种方式，例如参考测量信号与在用新的测量管测量期间获得的信号的偏差，特别地，可以在早期阶段检测到测量管12中的裂纹或者测量管12的内层32与外管30之间的间隙的形成。