超声流量计的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——超声流量计。该专利由恩德斯＋豪斯流量技术股份有限公司申请，并于2016年8月17日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种超声流量测量装置，其包括具有直测量管轴线的测量管、用于在第一信号路径上发射声信号的发射器、用于在第一信号路径上接收声信号的接收器和至少一个第一反射面，在每种情况中，在第一信号路径上声信号在第一反射面被反射至少一次，其中入射到第一反射面的声信号和在第一反射面被反射的声信号沿着第一信号路径的直分段行进。

发明背景

超声流量测量装置广泛应用于过程和自动化技术中。它们可以很容易地确定管道中的体积流量和/或质量流量。

已知的超声流量测量装置通常根据行程时间差原理进行工作。超声波利用所谓超声换能器生成，并被相应地接收。为此，超声换能器被牢固设置在相关管道段的管壁中。也有夹持式的超声流量测量系统。在这种情况下，超声换能器被压在测量管管壁的外面。夹持式超声流量测量系统的一个最大好处是，超声流量测量系统不与被测介质接触，并且能够被设置在已有的管道上。

多路径系统也是公知的，其具有多个超声换能器对，在每种情况中，它们可形成信号路径，超声信号可沿着该路径而经过测量管。在此情况下，各个信号路径和相关的超声换能器位于与测量管轴线平行的互相平行的平面内。多路径系统的优点是它们能够在多个位置测量在测量管中被测介质的流量概况，并因此能够提供对于流量的高精度的测量值。除其它之外，这可以基于每个沿着不同的信号路径的个体行程时间的权重不同的事实而得到。然而，在多路径系统情况中不利的是它们的制造成本，由于需要使用多个超声换能器，以及在特定的情况下需要使用复杂的评估电子设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声流量测量装置，其可确保高精度流量也可以有效降低制造成本。

本发明的超声流量测量装置包括具有直测量管轴线的用于流量测量的测量管、至少一个在第一信号路径上发送声信号的第一发射器、至少一个在第一信号路径上接收声信号的第一接收器以及至少一个第一反射面，其中发射器、接收器和第一反射面相对彼此定向并且设置在测量管中或者测量管上，使得在从第一发射器到第一接收器的第一信号路径上的声信号在第一反射面上被反射，从而在平行于测量管轴线的第一平面内延伸且与测量管轴线具有非零预定第一间距的的第一信号路径的所有第一分段投影到测量管轴线上的所有长度的总和具有非零预定第一值，并且其中在平行于测量管轴线且不同于第一平面的第二平面内延伸且与测量管轴线具有所述第一间距的第一信号路径的所有第二分段投影到测量管轴线上的所有长度的总和具有预定第一值，其中第一平面在测量管的第一半部分内延伸，并且第二平面在测量管的第二半部分内延伸，其中测量管的第一半部分，更准确地为第一半部分的第一平面，与第二半部分，更准确地为量管的第二半部分的第平面，不重叠。

在本发明的实施例中，发射器适合用于在第一信号路径上接收声信号，并且接收器适合用于在第一信号路径上发送声信号。发射器和接收器都是超声换能器，尤其是具有机电换能器元件的超声换能器，例如压电换能器元件。

同时，声信号垂直于作为发射器的第一超声换能器的薄膜而被发射且垂直于作为接收器的第二超声换能器的薄膜而被接收，其中，两个超声换能器相对于反射面被定向，以使得声信号在反射面上能够被反射到第二超声换能器上。

在本发明的第一实施例中，测量管具有椭圆的——尤其是圆形的——横截面，其中测量管轴线也可被称作主轴线、中心轴线或者纵轴线。测量管中介质的主流动方向与测量管轴线相一致。

在另一个实施例中，测量管的尺寸是超声换能器或发射器和/或接收器尺寸的倍数。因此，在圆形测量管以及圆盘形的发射器和/或接收器的情形下，测量管的直径是发射器和/或接收器的圆盘直径的至少两倍，尤其是五倍，尤其是至少十倍。如果测量管具有例如角形的横截面，尤其是矩形横截面，尤其是正方形的横截面，和/或超声换能器作为发射器和/或接收器具有一些不同的形状，例如，相同的矩形，那么测量管内腔的截面的表面面积是超声换能器的表面面积的至少四倍，或甚至至少二十五倍，或者甚至至少百倍。

在本发明的其它实施例中，在测量管内或测量管上的第一反射面和/或所有其它的反射面相对于发射器和接收器被设置，使得第一平面和第二平面相交于平行于测量管轴线延伸的线。