用于夹持式超声流量测量点的超声换能器装置和夹持式超声流量测量点以及用于将夹持式超声流量测量点投入运行的方法与流程

背景技术：

当安装在线流量测量点的测量管很麻烦或不可能时，代替在线流量测量点，应用夹持式超声流量测量点结合集成在测量管中的超声换能器。夹持式超声流量测量点非常容易设置，并且可以安装在不同的测量管上。然而，它们具有的缺点是，这种测量点的超声换能器在出厂时最多只能彼此粗调。

现有技术示出了这种流量测量点的超声换能器装置，在这种情况下，超声换能器相对于彼此可移位地安装，以便允许微调。但是，这需要技术知识，并且还消耗一定的时间。在de102008029772a1中提出了避开该问题的迂回路，在这种情况下，在测量管的外部分别放置了两组多个超声换能器，其中每组中相邻的超声换能器之间的间距小，其中这些间距在这些组之间略有不同。以这种方式，可以实现的是，由于在许多情况下存在多个超声换能器，所以存在通过超声信号路径连接的超声换能器对，因此，可以通过更换超声换能器对从而对诸如声速之类的过程参数的微小变化进行补偿。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于夹持式超声流量测量点的超声换能器装置和夹持式超声流量测量点，在这种情况下，超声换能器装置在很大程度上与测量管直径无关。

该目的通过独立权利要求1中限定的超声换能器装置以及独立权利要求8中限定的夹持式超声流量测量点以及如独立权利要求11、14和15中限定的用于将超声流量测量点投入运行的方法来实现。

本发明的用于基于传播时间差原理的夹持式超声流量测量点的超声换能器装置包括：

多个超声换能器，该多个超声换能器适于被布置在夹持式流量测量点的测量管的外侧上，

其中，超声换能器在每种情况下具有至少一个换能器元件以及耦合元件，所述换能器元件用于产生和/或接收超声信号，其中该耦合元件具有第一接触区域和第二接触区域，其中换能器元件被布置在第一接触区域上，并且其中超声换能器适于借助于第二接触区域与测量管相接触，

其中，超声换能器适于将超声信号辐射到测量管中和/或接收从测量管发出的超声信号，

其中，第二接触区域在每种情况下具有法线，其中法线定义了超声信号的超声信号路径在其中延伸的平面，

其中，第一组第一超声换能器相对于测量管纵向截面被布置在测量管的第一侧上，并且第二组第二超声换能器相对于测量管纵向截面被布置在测量管的与第一侧相对的第二侧上。

其中，第一超声换能器的耦合元件和第二超声换能器的耦合元件在每种情况下具有纵向轴线，其中纵向轴线在每种情况下在相应的第二接触区域处具有内角α，其中超声信号路径在耦合元件中在纵向轴线的方向上延伸，

其中，至少一个第一/第二超声换能器适于接收至少一个第二/第一超声换能器的超声信号，

其特征在于，

第一组中相邻的超声换能器在每种情况下彼此具有第一间距，并且其中第二组中相邻的超声换能器在每种情况下彼此具有第二间距，其中第一间距和第二间距不相等，

其中2*a1>＝a2>＝1.125*a1，并且尤其是1.75*a1>＝a2>＝1.16*a1，并且优选地1.6*a1>＝a2>＝1.25*a1。

在实施例中，第一间距和第二间距之间的关系对应于以下等式：

(a+1)*a1＝a*a2，其中b>a>1，a是自然数，而b是a的范围的上限值并且小于9，并且尤其是小于7，并且优选小于5。

有利地，第一数量和第二数量都等于a+1。

在实施例中，第一组超声换能器具有第一数量的超声换能器，而第二组超声换能器具有第二数量的超声换能器，

其中：

n1大于或等于a+1，并且尤其是大于或等于a+2，

n2大于或等于a+1，并且尤其是大于或等于a+2。

在实施例中，换能器元件具有径向伸长ra，其中ra>3/(4*a)*a1*cos(α)，

并且尤其是

ra>1/(2*a)*a1*cos(α)。

在实施例中，超声换能器装置包括至少第三超声换能器，该第三超声换能器具有垂直于第二接触区域延伸的信号路径。

在实施例中，第一组超声换能器和第二组超声换能器在每种情况下由支撑主体保持，该支撑主体适于对超声换能器进行定位和固定。

在实施例中，支撑主体中的超声换能器分别被单独地保持。

本发明的用于测量流过测量管的介质的流速的夹持式超声流量测量点包括：

测量管，该测量管用于输送介质并且具有测量管轴线，

根据上述一个或多个定义的本发明的超声换能器装置，其中超声换能器装置平行于测量管轴线定向，

电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路用于使超声换能器操作以及用于查明和提供流速的测量值。

在实施例中，夹持式超声流量测量点包括曲率传感器，用于确定测量管的外径，

其中曲率传感器具有间距传感器和间隔物，

其中间隔物具有中心区域和与该中心区域相邻的两个端部，其中所述端部通过弯曲部或角度与所述中心区域定界，

其中间隔物适于借助于所述端部与测量管相接触，其中中心区域适于与测量管间隔开，并且其中穿过间隔物穿过所述两个端部的横截面或纵向截面适于与测量管横截面平行地延伸，

其中间距传感器被布置在中心区域中的间隔物上，

其中电子测量/操作电路适于使间距传感器操作。

在实施例中，间距传感器是光学或声学间距传感器。

在本发明的用于将夹持式超声流量测量点投入运行的方法中，

多个第一超声换能器/多个第二超声换能器在每种情况下同时或在时间上偏移地传输超声信号，所述超声信号由第二超声换能器/第一超声换能器所接收，

其中电子测量/操作电路基于所接收的超声信号的信号强度和/或信噪比来确定要用于测量操作的至少一个超声换能器对。

在实施例中，超声信号是准连续的并且频率不同，或者

其中超声信号是脉冲的并且在下列特征上不同：

频谱的中心频率。

在实施例中，介质被输送通过测量管，

其中，在接收到的超声信号的情况下，检查超声信号部分是否存在传播时间差，

其中，在确定要使用的超声换能器对时，排除没有传播时间差的超声信号部分。

在本发明的用于将夹持式超声流量测量点投入运行的方法的情况下，

促使第三超声换能器发送和接收超声信号，

其中，电子测量/操作电路基于所接收的超声信号的至少一个信号特征来确定外径和/或内径，

其中可用的信号特征是，例如：

信号反射的传播时间。

在本发明的用于将夹持式超声流量测量点投入运行的方法中，电子测量/操作电路借助于曲率传感器来确定外径。

附图说明

现在将基于在附图中呈现的实施例的示例来描述本发明，附图中的图如下所示：

图1示出本发明的布置的两个超声换能器。

图2示出用于超声换能器的本发明的布置的几何关系；

图3以示例的方式示出用于超声换能器的本发明的布置；

图4以示例的方式示出用于超声换能器的本发明的布置；

图5示出支撑主体中的布置；

图6示出具有本发明的布置的流量测量点；

图7示出曲率传感器。

具体实施方式

图1示出了超声换能器20的示例的示意性构造，并且本发明的布置的一部分包括两个第一超声换能器20.1和两个第二超声换能器20.2，其被布置在测量管2的测量管壁的外部上。超声换能器在每种情况下包括至少一个换能器元件21，优选为压电换能器元件，以及耦合元件22，其中该换能器元件被布置在该耦合元件的第一接触区域22.1上，并且其中该耦合元件经由第二接触区域22.2与测量管在声学上且机械地耦合。耦合元件具有纵向轴线l，由换能器元件21产生或经由接触区域22.2接收的超声信号沿纵向轴线l传播。换能器元件优选是盘形的并且具有径向伸长ra。换能器元件的径向伸长不一定与耦合元件的径向伸长相对应，因而图1中的显示仅简化了附图。纵向轴线相对于第二接触区域的法线n具有角度γ，因而超声信号以倾斜的方式耦合到测量管中。在测量管中，当耦合元件中的声速与介质中的声速不同时，超声信号路径与法线成角度β，该角度β通常与角度γ不同。相邻的第一超声换能器20.1彼此具有第一间距a1，相应地，相邻的第二超声换能器彼此具有第二间距a2。

角度γ的典型值为30°到45°，这取决于用于耦合元件和测量管的材料以及流过测量管的介质。

图2示出了本发明的用于超声换能器的布置的几何关系，其中由第一超声换能器20.1构成的第一组g1超声换能器20被布置在测量管2的测量管纵向截面中的第一侧2.11上，并且其中由第二超声换能器20.2构成的第二组g2超声换能器20被布置在测量管2的与第一侧相对的第二侧2.12上。这里选择的在每种情况下每组五个超声换能器的数量是为了说明的目的，而不应理解为限制性的。

第一超声换能器20.1在相邻的换能器之间具有第一间距a1，并且第二超声换能器20.2在相邻的换能器之间具有第二间距a2，其中间距a1和a2彼此不同。其结果是，在由第一超声换能器限定的超声信号路径up与由第二超声换能器限定的超声信号路径up重叠的情况下，诸如对于左侧的第一超声换能器和第二超声换能器发生这种情况，其它示出的第一超声换能器和第二超声换能器的超声信号路径不存在重叠。对于左侧上的第二组的第一超声换能器和第二超声换能器，这通过第一超声换能器的实线和第二超声换能器的偏移的虚线来指出。在后一种情况下，由接收超声换能器记录的接收超声信号的信号幅度低于两个超声换能器之间的信号路径重叠的情况。

由于超声信号具有垂直于其在超声信号路径的方向上的传播的空间扩展，因此在发射超声换能器和接收超声换能器之间的两个超声信号路径的增加的偏移导致所接收的超声信号幅度增加的减小。

由于不同的间距a1和a2，因此存在不同的测量管直径，第一超声换能器20.1的超声信号路径和第二超声换能器20.2的超声信号路径在测量管直径下重叠。这一点通过超声换能器u2和u5示出。由此，可以得出超声换能器装置的最大相关超声信号路径偏移。当测量管直径具有恰好位于两个测量管直径值之间的值时，在该值下，第一超声换能器20.1的超声信号路径和第二超声换能器20.2的超声信号路径重叠。

优选地，换能器元件具有径向伸长ra，其ra>3/(4*a)*a1*sin(α)，尤其是ra>1/(2*a)*a1*sin(α)，或者其中ra>3/(4*a)*a1*cos(γ)，尤其ra>1/(2*a)*a1*cos(γ)。

忽略超声信号扩展，将导致与测量管轴线平行的超声信号宽度的三分之一的、在沿着测量管轴线延伸的方向上的超声信号路径的最大相关偏差，在此情况下为偏移。已经发现，在这种情况下，在接收超声换能器中的超声信号幅度仍然足以进行良好的信号处理。

因此，通过提供不同的间距a1和a2，可以在较大的测量管直径范围上进行有价值的超声流量测量。

测量管2的此处被忽略的壁厚相对于耦合元件将影响到介质中的声音进入点。在给定的情况下，本领域技术人员将考虑到这一点。

图3通过示例的方式示出了本发明的用于在测量管2上的超声换能器的示范性布置，其中选择参数a等于3。出自第一组超声换能器中的超声换能器u1至u5的倾斜线示出超声信号路径的线路。水平线显示测量管直径，在该测量管直径处，出自第二组超声换能器中的超声换能器u6至u10超声信号路径与第一组超声换能器中的超声信号路径一致。为了示出不同的测量管直径的影响，将第二组超声换能器示出了两次。在小测量管直径的情况下，例如，超声换能器u4和u6可以形成可用的超声换能器对。对于大直径，可能需要外部超声换能器，诸如此处所示的超声换能器u5，以便能够与其他组中的超声换能器u8形成超声换能器对。因此，取决于测量管直径，可以使用两组超声换能器中的不同超声换能器。

对于具有第一数量n1的超声换能器的第一组超声换能器以及对于具有第二数量n2的超声换能器的第二组超声换能器，优选地：n1大于或等于a+1，尤其是大于或等于a+2，并且n2大于或等于a+1，尤其是大于或等于a+2。因此，诸如图3中所示，n1和n2不必为5或相等。

n1、n2越大，则本发明的布置可用于超声换能器的测量管直径范围越大。

本领域技术人员将根据他们的要求形成超声换能器装置。

图4通过示例的方式示出了本发明的布置，该布置用于具有第一组g1和第二组g2的超声换能器以及具有第三超声换能器20.3的第三组g3。

第三超声换能器适于将垂直于测量管壁2.3的超声信号辐射到测量管2中，并且适于接收在相对放置的测量管侧上反射的超声信号。使用信号传播时间，可以推导出测量管直径，从而可以选择具有第一组超声换能器和第二组超声换能器的可用的超声换能器对，以便将夹持式超声流量测量点投入运行。因此，可以限制或避免对第一组和第二组中的各个超声换能器的测试。

此处示出的超声换能器的数量和取向仅是示例性的，并且具有说明性的目的，而不应理解为是限制性的。

图5示出了被布置在支撑主体30中并且由支撑主体30保持的第一组g1的超声换能器或第二组g2的超声换能器。支撑主体可以具有定位元件，在将超声换能器安装在支撑主体中的情况下，借助这些定位元件可以将超声换能器定位在期望的位置。在定位之后，可以将超声换能器灌入支撑主体中。超声换能器可以例如单独地被保持在支撑主体中，从而可以装配到例如粗糙或不平坦的测量管表面上。该视图仅是相对于超声换能器的数量和布置的示例，而不应理解为限制性的。同样，如这里所示，第三超声换能器20.3可以被布置在这种支撑主体中。

图6以示例的方式示出了夹持式超声流量测量点1，其具有测量管2、本发明的超声换能器装置10、用于保持超声换能器装置的支撑主体30、用于确定测量管弯曲的曲率传感器4以及电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路用于使超声换能器和曲率传感器操作并且用于提供流量测量值。夹持式超声流量测量点不必具有曲率传感器。

图7示出了曲率传感器4的结构，借助于该结构可以确定测量管外径。在了解了测量管外径和测量管厚度的情况下，可以预先确定要使用的超声换能器对。曲率传感器包括间距传感器4.1和间隔物4.2，该间隔物具有中心区域4.21和从中心区域弯曲的两个端部4.22。间隔物与测量管2的横截面平行地放置在测量管上，其中中心区域具有取决于与测量管外表面的间距的测量管外径。利用应用在中心区域中的间距传感器4.1来测量该间距。这样的传感器可以是例如超声传感器或光学传感器。

将夹持式超声流量测量点投入运行需要确定包括第一超声换能器和第二超声换能器的超声换能器对。为此，诸如已经提到的，可以借助于第三超声换能器来确定测量管内径以及测量管厚度，并且因此可以确定超声换能器对。替代地或补充地，还诸如已经提到的，可以应用曲率传感器。替代地或补充地，多个第一超声换能器和/或第二超声换能器可以同时地或在时间上偏移地传输超声信号。然后例如可以基于超声信号幅度来确定对超声换能器对的选择，该超声信号幅度借助于被选为接收器的超声换能器来测量。为了弄清楚涉及哪些换能器，可以将一个或多个特征施加在用于传输超声信号的不同超声换能器的超声信号上。例如，在脉冲超声信号的情况下，中心频率可以是特征性的。替代地或补充地，例如，超声信号可以具有不同的信号线性调频。

在启动时，还可以通过测量管输送介质，并且执行超声信号的传播时间差测量。在这种情况下，可以不考虑没有或具有小的传播时间差的超声信号。这样的信号例如是从原始超声信号耦合到测量管中而不经过介质传播的信号。因此，在接收超声换能器的情况下，从原始超声信号发出，由各种反射引起的多个超声信号可以在时间上重叠或偏移地到达。

参考标记列表

1夹持式超声流量测量点

2测量管

2.11第一测量管侧

2.12第二测量管侧

2.2测量管轴线

2.3测量管壁

3电子测量/操作电路

4曲率传感器

4.1间距传感器

4.2间隔物

4.21中心区域

4.22端部

10超声换能器装置

20超声换能器

20.1第一超声换能器

20.2第二超声换能器

20.3第三超声换能器

21换能器元件

22耦合元件

22.1第一接触区域

22.2第二接触区域

30支撑主体

n1第一数量

n2第二数量

a1第一间距

a2第二间距

up超声信号路径

n法线

u1-u9超声换能器

g1第一组

g2第二组

g3第三组