專利名稱：用于確定和/或監控管道中介質的體積和/或質量流量的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定和/或監控在流動方向上流經管道的介質的體積和/或質量流量的裝置。該裝置包括至少兩個超聲傳感器，它們在確定的測量位置固定在管道外壁并且交替發射及接收超聲測量信號；和調節/分析單元，其基于超聲測量信號在流動方向上和與流動方向相反的方向上的行程時間差而確定管道中介質的體積和/或質量流量。
在過程及自動化技術中的許多用途中應用了上述類型的夾鉗式超聲流量測量儀表，其利用所謂的行程時間差方法確定體積流量。它們能夠無接觸地確定在容器，例如管道中的體積流量。為此，以預定的角度將超聲測量信號輻射進入介質所處的管道。超聲傳感器在管道上的測量位置依賴于管道的內徑、壁厚以及管道材料中的聲速。為了提供對于流量的可靠測量變量，必須知道這些參數。
已知夾鉗式流量測量儀表，其中超聲變送器被利用鉗鎖而在外部壓在管道上。例如在EP 0 686 255 B1、US-PS 4,484,478或US-PS4,598,593中描述了夾鉗式流量測量儀表。另外，已知使用鏈條、吊鉤及環帶或螺釘而將夾鉗式測量儀表施加于管道。很清楚，用于定位超聲傳感器的已知方法相當費時。
本發明的任務是提供一種夾鉗式流量測量儀表，其能夠快速裝配到管道上或從管道上卸載，該管道的外徑基本上是任選的。
這樣實現該任務兩個超聲傳感器固定至使得超聲傳感器能夠夾鉗到管道上的鉗式夾持單元。優選地，這樣構造鉗式夾持單元，使得在夾鉗到管道上之后，兩個超聲傳感器自動處于正確的測量位置，并且實際上基本上與管道的外徑無關。管道直徑的上限僅僅通過具體構造而給出并且特別地是通過鉗式夾持單元的可能張開角而給出。
在本發明的裝置的具有優點的進一步發展中，這樣實現夾持單元，使得兩個超聲傳感器設置在與管道縱軸基本平行的外輪廓線上的兩個或多個橫梁布置中的測量位置上。或者，這樣實現夾持單元，使得兩個超聲傳感器在一個單橫梁布置或多重單橫梁布置中設置在管道相對面的測量位置中。
可以看出，特別簡單的實施方式是鉗式夾持單元包括第一部分單元和第二部分單元。特別地，第一部分單元由兩個杠桿臂構成，這兩條杠桿臂經由樞軸連接而在它們的中央區域耦合在一起。優選地，在樞軸連接提供第一旋轉發送器，用于檢測兩條杠桿臂之間的角度位置。基于旋轉發送器提供的測量值，調節/分析單元確定管道外徑。
第二部分單元優選地由以下部件構成-兩條導軌，它們布置成V形并經由樞軸連接而在它們的連接末端區域耦合在一起；-兩個可牢固夾鉗的樞軸連接，它們位于導軌的自由末端區域中以及橫拉桿的末端區域中；-兩個連接件，它們剛性安裝在樞軸連接上并且超聲傳感器固定至它們；-橫拉桿，其與第一部分單元的第一杠桿臂剛性連接；-支架，其與第一部分單元的第二杠桿臂相連。
正如已經提到的，在夾鉗式流量測量儀表的情況中，很重要的是要在計算超聲測量信號的行程時間時考慮管道的壁厚。或者已知管道的壁厚，或者可以通過超聲傳感器利用超聲而確定。于是，在本發明的裝置的優選實施例中，提供補償單元，通過它可以基本自動地補償管道的壁厚。為此，為補償單元分配第二旋轉發送器和長度傳感器。旋轉發送器和長度傳感器將它們的測量數據發送至調節/分析單元。
現在根據附圖詳細解釋本發明，附圖中
圖1是本發明的超聲流量測量儀表的優選實施例的透視圖；圖2是圖1所示的實施例的截面圖；圖3是本發明的超聲流量測量儀表的第二實施例的截面圖；圖4是圖3所示的實施例的俯視圖；圖5是用于啟動本發明的流量測量儀表的框圖；圖6是超聲測量信號的聲音路徑的示意表達；圖7是在補償壁厚d的情況中，用于確定本發明的流量測量儀表的高度位移的示意圖；圖8是在補償薄壁厚d1的情況中，本發明的裝置的示意圖；圖9是在補償薄壁厚d2的情況中，本發明的裝置的示意圖；圖10是在強烈折射的測量介質的情況中，鉗式夾持單元的腿的角位置的示意表達。
圖1是本發明的超聲流量測量儀表1的優選實施例的透視圖，該儀表用于確定和/或監控流經管道2的介質3的體積或質量流量。圖2提供了圖1所示的實施例的截面圖。超聲流量測量儀表1根據行程時間差原理工作超聲測量信號在流動方向和相反方向上穿越管道2中的介質3的行程時間之差與介質3的流速成比例。在已知管道2內徑的情況下，可以確定體積流量。如果還知道流動介質3的密度，那么就可以確定流經管道2的質量流量。
在所示的情況中，兩個超聲傳感器16、17交替發射和接收超聲測量信號。兩個超聲傳感器16、17位于管道2的平行于縱軸延伸的外輪廓線上的測量位置，也就是從第一超聲傳感器16、17發射的測量信號的最大部分在第二超聲傳感器17；16中被接收。兩個超聲傳感器16、17位于所謂的雙橫梁布置中。在調節/分析單元22中完成超聲測量信號行程時間差的確定以及體積或質量流量的確定。
本發明的超聲流量測量儀表1可以使用結構非常簡單的機構而在正確的測量位置應用于管道2。特別地，該機構可以毫無問題地適用于基本上任意的管道2外徑。對此的決定性條件僅僅是已知介質3的聲速或折射率。優選地，這樣實現該機構，使得對于管道2的不同外徑，自動達到正確的測量位置。在所示的情況中，這樣實現該機構，使得經由兩個超聲傳感器16、17、支架19和壓力彈簧8產生夾鉗作用，其中壓力彈簧位于兩條杠桿臂4、5之間。當然，也可以這樣實現本發明的超聲測量儀表1，使得超聲傳感器16、17以所謂的單橫梁布置安裝在管道2的相對區域中的測量位置。該布置的另一變型是所謂的雙重或多重單橫梁布置。
進一步研究圖1。正如已經指出的，本發明的流量測量儀表1的基本部件是鉗式夾持單元4，超聲傳感器16、17可以經由它以簡單的方式固定至管道3。夾持單元4由第一部分單元28和第二部分單元29構成。第一部分單元28具有兩條杠桿臂5、6，它們布置在一個平面中并且經由樞軸連接7被彼此可運動地支承。夾持單元4的第一部分單元28的構造對應于剪刀或鉗子的構造；第二部分單元29基本對應于鉗子的夾持部分。
在所示的情況中，第二部分單元29由以下部件構成兩條V形布置的導軌10、11，它們在其連接末端區域經由樞軸連接9耦合在一起；在導軌1O、11的“自由”末端區域中提供兩個樞軸連接20、23，21、24；兩個連接件14、15，超聲傳感器16、17固定至它們；橫拉桿12；和支架19。樞軸連接20、23；21、24各自利用兩個可樞軸旋轉且可牢固夾鉗地設置的管狀件實現。在各種情況中，一個管狀件23、24在各自一條導軌10、11的末端區域中固定。這些管狀件23、24與管狀件20、21可樞軸旋轉且可鎖定地相連，管狀件20、21可移動地布置在橫拉桿12上。管狀件20、23；21、24能夠以不同的角位置彼此鎖定。為了將兩個超聲傳感器16、17相對彼此正確定位，這樣依賴于管道2中流動的介質3以及管道3的預定內徑調整兩條導軌10、11之間的角度α，使得從超聲傳感器16、17發射的超聲測量信號在另一超聲傳感器17；16中被接收。
為了確定角度β，在將兩條導軌10、11連接在一起的樞軸連接7的區域中提供旋轉發送器25。根據旋轉發送器傳遞的數據，調節/分析單元22確定管道的外徑Da。圖6中簡要顯示了相應的情況。根據鉗式夾持單元4的張開角β和腿的固定長度，可以清楚地進行檢測。知道了管道2的直徑Da和壁厚d，可以計算管道2的內徑Di以及內部面積。在本發明的裝置的優選實施例中，還這樣實現超聲傳感器，使得它們例如布置在外殼中，既可以執行壁厚d的測量(通過測量在垂直聲音路徑上的聲速)還可以執行流速測量(通過測量在傾斜聲音路徑上的聲速)。簡化到實際中，這個實施例可以通過兩個壓電元件實現，這兩個壓電元件以不同的角度輻射進入管道2。
于是，與流速測量相關的變量的確定基本上自動進行從而在這個最后提到的優選實施例中不需要操作者輸入任何有關管道2的幾何形狀的附加信息。在這個實施例中，向調節/分析單元22提供有關管壁制造材料的信息就足夠了。于是，有關管壁中相應聲速cR的信息就例如從調節/分析單元22中存儲的表中得到。以這種方式，可以根據以下公式，從在管壁的相對區域上反射的兩個回波信號之間測量的行程時間T以及聲速cR計算出管道2的壁厚dd＝cR*T/2已知管道2的外徑Da、管道2的內徑Di和管道2的壁厚d，就可以以類似于確定壁厚d的方式，基于在與超聲傳感器相對的管壁上反射的回波信號TM的行程時間，推算出在介質中的聲速CM。相應的公式是cM＝di/(TM/2)
于是，可以根據以下公式確定角度αα=2*asin(cMcK*sinαK)]]>其中αK角度，超聲信號以這個角度在出射表面上輻射進入超聲傳感器，這個角度通常由制造者指定。
cK超聲傳感器16；17的前導體33中的聲速；這也是從由制造者提供的數據中已知的。
根據本發明，一旦超聲流量測量儀表1被牢固夾鉗在管道2上，超聲傳感器16、17沿管道2外輪廓線32的距離就被依賴于管道2的外徑Da而自動調節。為此，固定至導軌10、11的管狀件23、24以角度α剛性地與管狀件20、21相連，管狀件20、21可移動地布置在橫拉桿12上。這樣調節兩條導軌10、11相對于橫拉桿12的角度α，使得依賴于管道2的預定外徑并且依賴于在管道2中流動的介質3中的聲速達到超聲傳感器16、17的正確測量位置。承載超聲傳感器16、17的連接件14、15與可移動地設置在橫拉桿12上的兩個管狀件20、21剛性相連。根據圖9和10中給出的夾持裝置的比較，可以很清楚地看出這一點。
橫拉桿12在其中央區域與杠桿臂5的末端區域剛性相連。通過管狀件20、21與連接件14、15以及超聲傳感器16、17的連接，兩條導軌10、11的角位置的改變被轉換為連接件14、15以及與其牢固相連的超聲傳感器17、18相對于橫拉桿12的平移運動。如果管道2的外徑Da小于圖1中所示的，那么兩個超聲傳感器16、17在夾持單元4夾鉗到管道2上時自動地彼此更加靠近地就位。如果外徑Da更大，那么兩個超聲傳感器16、17自動彼此遠離。如果管道2的內徑和介質3的折射率都已知，那么本發明的夾鉗式超聲流量測量儀表1可以非常迅速地安裝到任意外徑的管道2的正確測量位置。符合條件的直徑只受到本發明的裝置的結構尺寸的限制。
夾持單元4通過壓力彈簧8施加的復位力而在管道2上固定在測量位置。壓力彈簧8布置在兩條杠桿臂5、6的兩個自由末端區域的區域中。
為了計算超聲測量信號的正確行程時間，必須考慮管道2的壁厚d。管道2的壁厚的補償在圖1所示的本發明的裝置的實施例中是通過支架19的高度位移，并因而通過以角度α設置的兩條導軌10、11的高度位移而實現的。為此，優選地在樞軸連接9的區域中提供長度傳感器27。如果例如通過管壁的聲速CR和厚度d而知道管壁中的折射，那么可以由以下公式計算補償的高度HH＝H′+d圖6中示意性表示了相應的主題。要補償的高度H可以以線性驅動自動調節，或者以長度傳感器(電阻傳感器)或分度尺而手動調節。對于手動調節，還需要在正確位置的固定螺絲或鎖定。圖8和9的比較顯示了對于兩個不同壁厚d1、d2的要補償的高度H。
圖3以截面圖顯示了本發明的超聲流量測量儀表1的第二實施例；圖4顯示了該實施例的側視圖。與圖1和2的超聲流量測量儀表1相比的基本不同在于，這里在支架19的區域中還布置了第三超聲傳感器30。
圖5是用于啟動本發明的流量測量儀表1的框圖。調節/分析單元22觸發超聲傳感器16、17發送超聲測量信號，并測量在另一超聲傳感器17；16接收到超聲測量信號之前經過的時間。根據超聲測量信號在流動方向上和相反方向上的行程時間差，調節/分析單元22確定流經管道2的介質3的體積和/或質量流量。
另外，調節/分析單元22從旋轉發送器26獲得關于兩條導軌10、11之間的角度α的信息。而且，通過長度傳感器27，調節/分析單元22可以獲得有關用于管道2壁厚d的補償單元的高度位置的信息。另外，通過角度β和旋轉發送器25，調節/分析單元22還可以獲得有關管道2的直徑Da的信息。
附圖標記1 超聲流量測量儀表2 管道3 介質4 夾持單元5 第一杠桿臂6 第二杠桿臂7 第一樞軸連接8 壓力彈簧9 第二樞軸連接10 第一導軌11 第二導軌12 橫拉桿13 保持元件14 連接件15 連接件16 超聲傳感器17 超聲傳感器18 管狀件19 支架20 管狀件21 管狀件22 調節/分析單元23 管狀件24 管狀件25 旋轉發送器26 旋轉發速器27 長度傳感器
28 第一部分元件29 第二部分元件30 超聲傳感器31 縱軸32 外輪廓線33 前導體34 超聲傳感器
權利要求
1.一種用于確定和/或監控以流動方向(S)流經管道(2)的介質(3)的體積和/或質量流量的裝置，包括至少兩個超聲傳感器(16，17)，它們在確定的測量位置固定在管道(2)的外壁上并且交替發射及接收超聲測量信號；和調節/分析單元(22)，其基于超聲測量信號在流動方向(S)上和與流動方向(S)相反的方向上的行程時間差而確定管道(2)中介質(3)的體積和/或質量流量；其特征在于，所述兩個超聲傳感器(16，17)固定在鉗式夾持單元(4)上，這樣實現該夾持單元，使得超聲傳感器(16，17)可以通過夾鉗而在測量位置裝配在管道(2)上。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，這樣構造鉗式夾持單元(4)，使得在夾鉗到具有基本上任意外徑的管道(2)上之后，兩個超聲傳感器(16，17)自動處于測量位置。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中，這樣實現夾持單元(4)，使得兩個超聲傳感器(16，17)設置在與管道(2)的縱軸(31)基本平行的外輪廓線(32)上的兩個或多個橫梁布置中的測量位置上。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其中，這樣實現夾持單元(4)，使得兩個超聲傳感器(16，17)在一個單橫梁布置或多重單橫梁布置中設置在管道(2)的相對面的測量位置中。
5.根據權利要求1或2所述的裝置，其中鉗式夾持單元(4)包括第一部分單元(28)和第二部分單元(29)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中第一部分單元(28)由兩個杠桿臂(5，6)構成，這兩條杠桿臂經由樞軸連接(7)而在它們的中央區域耦合在一起。
7.根據權利要求5所述的裝置，其中第二部分單元(29)由以下部件構成兩條V形設置的導軌(10，11)，它們在它們的連接末端區域通過樞軸連接(9)耦合在一起；兩個可牢固夾鉗的樞軸連接(20，23；21，24)，它們位于導軌(10，11)的自由末端區域中以及橫拉桿(12)的末端區域中；兩個連接件(14，15)，超聲傳感器(16，17)固定至它們；橫拉桿(12)，其與第二部分單元(29)的第一杠桿臂(5)剛性連接；和支架(19)，其與第一部分單元(28)的第二杠桿臂(6)相連。
8.根據權利要求1、6或7所述的裝置，其中提供第一旋轉發送器(25)，其確定兩條杠桿臂(5，6)之間的角位置，其中分析/調節單元(22)基于提供的兩條杠桿臂(5，6)之間的角位置確定管道(2)的外徑(Da)。
9.根據權利要求1、6或7所述的裝置，其中提供至少一個附加的超聲傳感器(34)，其確定管道(2)的壁厚(d)。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中提供補償單元(18，19)，其利用鉗式夾持單元(4)的相應高度位移(H)自動補償管道(2)的壁厚(d)。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中為補償單元(18，19)分配第二旋轉發送器(26)和長度傳感器(27)，通過它們自動補償管壁對于超聲測量信號行程時間的影響。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定和/或監控在流動方向(S)上流經管道(2)的介質(3)的體積和/或質量流量的裝置。該裝置包括至少兩個超聲傳感器(16，17)，它們在確定的測量位置固定在管道(2)的外壁上并且交替發射及接收超聲測量信號；和調節/分析單元(22)，其基于超聲測量信號在流動方向(S)上和與流動方向(S)相反的方向上的行程時間差而確定管道(2)中介質(3)的體積和/或質量流量。為了保證超聲流量測量儀表(1)在管道(2)上的快速安裝和拆卸，所述至少兩個超聲傳感器(16，17)固定在鉗式夾持單元(4)上，這樣實現該夾持單元，使得超聲傳感器(16，17)可以通過在測量位置的簡單夾持而被裝配在管道(2)上。
文檔編號G01F23/296GK1867814SQ200480030506
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月13日 優先權日2003年10月15日
發明者阿希姆·維斯特, 安德里亞斯·貝格爾, 帕特里克·烏杜瓦爾 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司