[发明专利]用于确定流速的超声波测量装置和方法

说明书

本发明涉及一种如权利要求1或12的前序部分所述的、用于确定在管路中流动的流体流速的超声波测量装置和方法。

已知不同的测量原理以基于超声波确定流速或流量。多普勒法是对流动的流体上反射的超声波信号的、根据流速有所不同的频移来进行分析。传播时间差法是将一对超声波换能器安装在管路的外圆周上且在纵向方向上具有相对于彼此的位移，所述超声波换能器与沿测量路径的流成横向并相互发射和记录超声波信号，其中所述测量路径在超声波换能器之间延伸。由流体输送的超声波信号根据传播方向通过流来加强或减弱。将得到的传播时间差用几何量换算成流体的平均流速。再通过截面积从平均流速获悉体积流或通量。为了测量得更精确也可布置多个测量路径，所述测量路径分别具有一对超声波换能器，以便获得在多于一个点处的流截面。

为产生超声而使用的超声波换能器具有振动体，通常为陶瓷。例如在压电效应的基础上，借助于振动体将电信号转换成超声波，反之亦然。根据应用，超声波换能器被用作声源、声音检测器、或两者兼而有之。

在这种情况下，必须确保流体和超声换能器之间的耦合。一种常见的解决方案在于，使超声波换能器伸入管路与流体直接接触。但是用这种方式浸入的超声换能器会遭受到流体及其压力和温度的影响，从而有可能损坏。相反，换能器可能会扰乱流并因此影响测量的准确性。

在一些应用中，特别是在卫生领域中存在以下要求，即在内壁上提供尽量不让流体进入的闭合表面，以避免沉积并且有可能完全清洗干净。但是在具有金属或不锈钢通道(这些通道原则上适合所述应用)的传统超声波装置中，还要将超声波换能器安装入这些通道并借助橡胶密封件来进行声学和机械的分离。由于清洁剂有腐蚀性，因此要定期更换密封件，并会由此导致产生维护费用和停机时间。此外，还可在由于超声换能器和其支架所引起的不平整处形成永久性的污物沉积。

原则上也已知的技术是，其中内壁是完全封闭的。例如US 4 467 659就描述了这种所谓的夹合式安装(Clamp-On-Montage)，用该安装方式将超声波换能器从外部固定到管路上。EP 1 378 272B1提出将产生超声波的元件固定在壁的外侧。与夹合式技术不同的是，在这种情况下壁被用作膜，其在超声波换能器区域中构成比其余壁的壁厚小得多的袋状物。这也称之为压紧式的安装在一定程度上是在管路内部区域的刚性安装和夹合式安装的中间形式。

为了用所述技术来实现较好的超声耦入(Ultraschalleinkopplung)，需要将超声换能器紧密安装在管路上，从而使得超声波换能器至少是近似垂直安装的。但是这会导致超声路径很陡，因此所述超声路径通过导管时只稍微偏离垂直线并因此几乎不会比管路的直径长。恰好在管路的公称内径(Nennweite)较小的情况下，对于要获得高的测量精度而言超声路径太短，这是因为例如在传播时间差法中出现的时差过短。还可考虑的是，首先将超声垂直耦入，然后借助反射器来实现更平的或者甚至与流平行的发射角度。但是反射器及其支架对于流而言是巨大的干扰因素，此外在这些位置处可能会形成永久性沉积。

因此，本发明的任务在于在卫生范围内提高超声测量的精度。

该任务通过如权利要求1或12所述的、用于确定管路中流动的流体的流速的超声波测量装置和方法得以实现。其中根据前述夹紧原理来安装超声波换能器。在这种情况下，将超声波换能器的振动体耦合在通道壁的部分区域，特别是通过直接接触来耦合，在直接接触时振动体位于所述部分区域上且若有必要用弹簧力或类似力来压紧。本发明的基本思想在于，为布置超声波换能器提供额外的自由度，方式是将伸入流动通道中的隆起部安装在通道壁中。由此一来有可能的是，借助所述隆起部的几何形状来选择超声波换能器的方向且仍继续将通道壁的所述部分区域用作膜。

本发明的优点在于，能够将伸入流中的超声波换能器的压紧式安装和自由安装这两者的优点结合起来。因此会给流体提供完全闭合的、光滑的内表面，该内表面会防止沉积并允许简单的、彻底的清洗。同时，超声波换能器在隆起部的设计方面实际上是可以任意取向的。这样一来，可实现更长的通过流的测量路径，并从而实现更高的测量精度。