专利名称：W型超声波流速计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波流速计，用来测量流过一个测量管的液体或气体的流量，测量管中安装有超声波换能器，测量管壁能够反射超声波并具有至少一个聚焦反射平面。
从DE 39 41 544 A1可以知道一种流速计，其中超声波通过两换能器之间的一个W形波束路线传播。声波首先在管道底部被反射，然后在管道顶部被反射，最后又在管道底部被反射。有一些声波通过的路线上只有在管道底部的一次反射。这些声波的能量被管道底部的阻尼材料衰减。
EP 0 521 855 B1中描述了同样的流速计，但反射平面是弯曲的，这样声波便能够聚焦。在管道底部的聚焦平面之间有一个散焦反射平面。因此声波中经过一V形路线穿过测量管的部分被衰减了。即使使用了这样的预防措施，通过流速计的声信号也大大衰减，接收换能器只能接收到微弱的信号。这一微弱的信号还被沿V形路线通过管道的声波叠加。当换能器接收到一个微弱的信号时，它对噪声很敏感。这种噪声可能是机械的或电磁的噪声。
本发明的目的在于提供一种简单便宜的超声波流速计，它能够进行精确而迅速的测量。
这一预定任务可以通过使用如介绍所述的流速计来完成。它至少有一个聚焦反射平面为椭球面，换能器位于一个椭圆的焦点上。
由此可达到一束声波的所有部分均通过同样的距离，就可获得一纯净的信号。从椭圆其中一个焦点上发出的声波束将被反射并汇聚于椭圆的另一个焦点上。这样可导致被接收信号的放大，因而该信号对噪声的敏感性就降低了。
换能器可以放在换能器平面上。该平面可以相对测量管轴线有一横向偏移。这样对测量管中的紊流和层流进行测量时，可获得相同的结果。
本发明能通过从管壁反射超声波数次，超声波通过一“W”形波束路线得以完成。因此，即使在测量管有一个小的内直径的情况下也可以获得一个合理的时间差来测量下游和上游。
流速计可以有几个椭球镜面，其中椭圆在反射平面上有公共焦点。因此，流速计可以做成在测量管壁间有许多反射面。通过交替地聚焦和散射超声波，可以在很长的测量距离上进行测量而信号强度不会有大的损失。在一个小直径管中可以制造一个高效的流速计。在介质中有长的信号路径意味着低的流动速度也可以测量出来。
流速计可以设计成有至少两个椭球镜面，其中椭圆在管道相对两壁上有公共焦点，而椭圆的其他焦点在换能器表面上。因此，公共焦点可由有特殊反射性能的材料做成，减少了超声信号的衰减。
反射平面最好可以做成相互并相对于换能器倾斜。因而声波传播路成可以镜向地反射出换能器表面。
超声波流速计可以制做成使得从第一个换能器发出的超声波首先射到一平面镜上，该平面镜相对于换能器平面旋转一个角度，然后超声波又被椭球反射面反射，该反射面相对于换能器平面旋转另一角度，然后超声波在到达第二个换能器之前被平面镜反射回换能器平面。因此，在管道的整个截面上均可获得超声波。通过这种方式，只使用一个换能器组可以达到与多道测量相同的效果。
换能器可以布置在测量管的同一侧，但相互间旋转一定角度。因此，可以使超声波充满管道的横截面。
超声波流速计最好可以设计成使得换能器位于阴影管上，距介质流有一定距离。超声波在与介质流接触之前穿过该阴影管。因此可实现射在阴影管壁上的声波的衰减及散射。这样就确保了通过V形路线的声波被衰减，消除了测量衰减。
阴影管可以有内部反射平面，用来散射超声波。因此，射到管壁上的一部分声波束可能向不同方向散射出去。于是，声波就被转变成为一种不干扰管中测量的噪声信号。
以下将在图例的基础上对本发明进行解释
图1表示本发明一可能实施例的一个剖面，图2表示本发明另一可能实施例的一个剖面，图3表示按该发明设计的一个测量管的一个横截面，图4表示阴影管的一可能实施例的一个剖面，图5表示本发明另一实施例的一个剖面。
图1表示有两个超声波换能器2，3的测量管1的纵截面。换能器可能是磁致伸缩式，电磁式或电致伸缩式的。换能器可以按压电式设计。从换能器2，3发出的超声信号被镜面4反射。镜面4可以设计成旋转体椭球，换能器放在椭球的焦点7，8上。
超声波信号从换能器2，3中的一个发出。传送器放置在焦点7中的一个上。超声波信号被镜面4反射到另一焦点8处，在该处，信号被另外的换能器2，3接收。
图2表示本发明另一实施例的一个纵截面。象图1一样，测量管1有两个换能器2，3，它们位于阴影管6，7上，并和介质流有一定距离。此处所示的镜面4设计为旋转体椭球，放在测量管的顶部和传送器在同一侧。在测量管底部有一个平面镜9。换能器2，3被拧入到测量管1中的螺旋塞10，11所固定。换能器2，3被隔膜12，13所保护，以免与介质接触。隔膜12，13装在螺旋塞10，11和测量管1的凸缘之间。螺旋塞10，11和测量管1的密封由O型环14，15实现。图上表示出一个凹槽16，它可用作放置温度传感器。在换能器2，3之间表示出一个盒子17，它内部可以装有一电路，该电路可以产生超声波脉冲，且能处理所收到的超声波信号。该电路可以含有一个显示测量参数的显示器。另有一键盘可以使得用户能够改变显示器上显示的各种数据。
超声波是从换能器2，3中的一个发出的。该换能器放置在椭球镜4的焦点7、8中的一个上。超声波首先被上面正对椭球镜4的平面镜9反射。然后从椭球镜4超声波朝着平面镜9方向被反射回。在平面镜9处，超声波又一次被反射。此后，超声波汇聚在另一焦点7，8处的另外的换能器2，3上。
图3表示一个如图2所示的测量管的横截面。平面镜9相对于测量管1的横轴20旋转一个角度21。形状象一个旋转体椭球的镜面4相对于测量管的横轴20旋转另一个较大的角度。换能器平面19相对于测量管的中心线18有一横向偏移。
超声波朝着平面镜9方向从椭球焦点7发出，该平面镜9转过一个角度21。从这里，超声波朝向椭球镜4沿一个斜向反射。超声波被散射且充满了整个测量管的横截面。通过椭球镜4的反射，超声波被汇聚且经由平面镜9返回到焦点9的换能器表面上。
通过使超声波充满测量管的整个横截面可制成流速计，它可以提供流体截面上各种运动的速度。该流速计能准确地测量层流以及紊流。
图4表示阴影管的一可能实施例的一个剖面。图中示出了阴影管6其内侧有一反射平面22。由换能器2发出的超声波被散射，其中一部分将射到阴影管6的内表面上。这里的反射可能会影响测量，因为超声波在两个换能器中沿另一路线传播。另一条路线可能比理想的路线短一些或长一些。这种不利的超声波的后果是它们或者比合适的信号早一点到或晚一点到。结果是测量不准确。
通过设计阴影管6的内壁使其具有不规则的反射平面22，超声波射在管壁上的那部分被散射到各个方向。因而超声波转变成噪声而向各个方向发射，并与测量管中存在的噪声混合在一起，从而使其对接收换能器的影响消失了。
图5表示本发明另一实施例的一个剖面。在这里表示出两个椭球镜23，24，它们有公共焦点27。椭球镜另外的焦点26，28在换能器的表面上。
反射平面27是声波聚焦的地方，它可由具有优良反射性能的材料制成。在测量管中可以钻孔，反射平面27可以固定在填充孔洞的螺旋塞上。钻好的孔可攻上螺纹，并和端面抛光的螺钉拧在一起，以便聚焦的超声波可被螺钉端面反射。
权利要求
1.一种超声波流速计，用来测量流过一个测量管的液体或气体的流量。测量管中安装有超声波换能器，测量管壁能够反射超声波并具有至少一个聚焦反射平面，其特征在于至少有一个聚焦反射平面(4，23，24)是椭球面，而且换能器(2，3)位于椭圆的焦点(7，8，26，28)上。
2.权利要求1中的超声波流速计，其特征在于换能器(2，3)放在一个换能器平面(19)上，该平面相对测量管轴线(18)有一横向偏移。
3.权利要求1或2中的超声波流速计，其特征在于超声波被管壁反射数次，超声波经过一个W形的波束路线。
4.权利要求1或2中的超声波流速计，其特征在于流速计有几个椭球镜(24，25)，椭圆在反射平面(27)上有公共焦点。
5.权利要求4中的超声波流速计，其特征在于流速计至少有两个椭球镜(24，25)，椭圆在相对的管壁上有公共焦点(27)，椭圆的其它焦点(26，28)在换能器的表面上。
6.权利要求1-5之一中的超声波流速计，其特征在于反射平面(4，9，23，24，27)相互并相对于换能器平面倾斜。
7.权利要求1-6之一中的超声波流速计，其特征在于从第一个换能器(2)发出的超声波首先射到一平面镜(9)上，该平面镜相对于换能器平面(19)旋转一个角度，然后超声波又被椭球反射面(4)反射，该反射面相对于换能器平面(19)旋转另一角度，然后超声波在到达第二个换能器(3)之前被平面镜(9)反射回换能器平面(19)。
8.权利要求1-7之一中的超声波流速计，其特征在于换能器(2，3)放在测量管的同一侧，但相互间旋转一个角度。
9.权利要求1-8之一中的超声波流速计，其特征在于换能器放在阴影管(5，6)上，距介质流有一段距离，超声波在与介质流接触之前穿过该阴影管。
10.权利要求1-9之一中的超声波流速计，其特征在于阴影管(5，6)有能散射超声波的内反射平面(22)。
全文摘要
本发明涉及一种超声波流速计,用来测量流过一个测量管的液体或气体的流量,测量管安装有超声波换能器,超声波被管壁和聚焦反射平面反射。如果至少有一个聚焦反射平面为椭球而且换能器位于椭圆的焦点上,那么就可以做成一个简单而便宜的超声波流速计,它可以进行准确而迅速的测量。
文档编号G01F1/66GK1172528SQ96191690
公开日1998年2月4日 申请日期1996年1月26日 优先权日1995年1月31日
发明者S·罗尔克, H·M·汉森 申请人:丹福斯有限公司