[发明专利]超声波流量测量装置及其制造方法

说明书

本发明涉及超声波流量测量装置及其制造方法。提出一种用于制造超声波流量测量装置(10)的方法，其中从外部在管道段(14)的管道壁(22)中制造至少一个用于超声波换能器(18a‑b)的凹部(30)，在运行时流体(12)在管道段中流动，且将超声波换能器(18a‑b)布置在凹部(30)中，其中超声波换能器(18a‑b)具有振荡体(34)，该振荡体耦合在管道壁(22)的部分区域(32)上，该部分区域作为超声波换能器(18a‑b)的可振荡的膜片起作用。在此，凹部(30)的制造步骤包括钻孔工序，并且联接件(36)与凹部(30)一起制造，该联接件在置入超声波换能器(18a‑b)之后布置在膜片和振荡体(34)之间且其横截面小于振荡体(34)的横截面。

技术领域

本发明涉及用于制造超声波流量测量装置的方法以及超声波流量测量装置。

背景技术

已知各种测量原理用于基于超声波学来确定流速或流量。在多普勒法中，对反射到流动的流体上的超声波信号的根据流速而不同的频率偏移进行评估。在传播时差法中，一对超声波换能器通过纵向方向上的相互偏移安装在管道的外周上，这一对超声波换能器横向于流动沿着建立在超声波换能器之间的测量路径交替地发送和记录超声波信号。穿过流体输送的超声波信号根据传播方向通过流动来加速或减速。得到的传播时间差借助几何数值计算出流体的平均流速。由此借助横截面积得出体积流量或流量。为了进行更精确的测量也可以设置多个测量路径，每个测量路径分别具有一对超声波换能器，以便检测多于一个点处的流动横截面。

用于产生超声波的超声波换能器具有振荡体，常见的为陶瓷。借助该振荡体例如基于压电效应将电信号转换成超声波且反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声探测器或两者兼而有之。在此，应当确保流体与超声波换能器之间的耦合。

常见的解决方案是使超声波换能器伸进管道中与流体直接接触。这种侵入式探针可能会因流动的干扰而给精确测量造成困难。反之，浸入式超声波换能器暴露于流体以及流体的压力和温度下，并因此可能会损坏或因为污染物和沉积物而失去其功能。

原则上也已知这些技术，在这些技术中内壁保持完全闭合。实例为例如根据US 4467 659的所谓的夹合式安装(Clamp-On-Montage)，通过该夹合式安装将超声波换能器从外部固定在管道上。但是如此一来仅可以实现通过管轴线的直径相对的测量路径，由此在非轴向对称的流量剖面上产生额外的误差。此外，由于应被超声波信号穿透的管壁厚度大，因此信噪比减小，并从而使测量系统更易受到干扰。

JP 2000 337 940 A示出了另一种流量测量设备，其中压电元件接触管道中的孔底部上的管道壁。但为此需要更复杂的多部分式结构，而且探针可能会干扰流动。因此，稳定的测量、足够宽广的发射和简单的换能器结构这些问题没有得到解决。

在DE 102 49 542 A1中提出将超声波换能器直接应用到与介质接触的功能表面上。通过对功能表面进行倒角并从而对管道进行倒角实现具有在流动方向上的分量的路径取向。由此排除平坦的、连续的管内壁。

EP 1 378 727 B1提出将产生超声波的元件安装在壁的外侧面上。与夹合式技术不同，在此可以说将超声波换能器集成到壁中。凹部(Tasche)在超声波换能器的区域中被成型，该凹部具有比其余壁小得多的壁厚，并且留存的壁厚形成超声波换能器的膜片(Membran)。该也称之为夹入式的安装在一定程度上是夹合式安装和在管道的内部空间中的固定式安装的中间形式。但换能器结构相当复杂且在发射面较小时宽广的、近似球形的发射至少不能确保较高的频率。

在原理上，具有光滑的管内壁和集成到管壁中的超声波换能器的超声波流量计有可能解决迄今为止描述的大部分问题。为了同时实现超声波换能器的简单构造和足够大的发射面，需要管壁中的凹部具有复杂的几何形状，超声波换能器就布置在这些凹部中。