專利名稱：夾持式超聲波流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種夾持式超聲波流量計。
這種超聲波流量計，眾所周之，連接到一根管子的外部，特別是一根已經永久安裝在一管路系統內的管子，不需要對這根管做任何修改，例如，在上面做一個孔。它們也不需要專門配備測量管。而基于其它測量原理的流量計，諸如渦流流量計，電磁流量計，或科里奧利慣性流量計，必須要專門配備測量管。
美國專利3,869,915闡述了一種帶有由二個傳感器組成的一個傳感器組件的超聲波流量計，這兩個傳感器被按放在沿著一根管子的一條直表面線上，這根管子傳導要測量的流體，并且靠第一和第二個條帶分別將這兩個傳感器與管子連接。
在美國專利4,738,737的一個圖中，但不是在有關的闡述中，顯露出由一個第一傳感器組件和一個第二傳感器裝配組成的超聲波流量計第一個傳感器用第一和第二個條帶連接到一根管子表面的第一條直線上，第二個傳感器用第三和第四個條帶連接到距第一個傳感器給定距離并在管子表面與第一條直線恰好相對的第二條直線上。
這兩個傳感器組件結構相同。
最后提到的美國專利沒有闡述這兩個傳感器組件，如果它們位于管子表面相對的直線上，怎樣遵守互相同直線，或怎樣沿著管子表面一條直線彼此相距一定距離定位。
本發明的目的在于提供一種改進的由兩個傳感器組件組成的超聲波流量計，它適用于不同公稱直徑的管子，并可以放在或者沿著管子表面一條直線或者沿著管子表面恰好相對的兩條直線上。
此外，本超聲波流量計的設計包含可更換部件，在出現故障的情況下，僅需更換失效的部件。
為實現上述目的，根據本發明提供一種由一個第一級傳感器組件和一個第二級傳感器組件組成的超聲波流量計這兩個傳感器組件相互位于一給定的距離，或者沿著一根傳導要測量的流體的管子表面的一條直線或者分別沿著這根管子表面的第一條直線并且與管子表面恰好相對第二條直線上，并且分別用一個第一條帶和第二條帶連接，并且它們結構相同并且每一個包括一個鄰接管子的平面托座，托座上有一條縱向中心線和與托座成一整體的一個管形部分；一個在管形部分里被縱向導向的傳感器插入件，其中包含一個帶有一個轉換器元件的超聲波轉換器；一個蓋在管形部分上的傳感器罩，它靠一個通過旋轉可釋放的快速扣緊件連接到管形部分上，而其中的一個彈簧對著管子給傳感器插入件加力；并且一個條帶緊固裝置，其安裝在托座上大約縱向中心軸線的中間并有一軸線。
在本發明的第一優選實施例中，傳感器插入件端部位于一根電纜管內，而傳感器罩可被旋轉地安裝在電纜管上。
在本發明的第二優選實施例中，它也可以用第一優選實施例，條帶緊固裝置包括一個螺旋彈簧；一個彈簧外殼，靠一個有中心孔的螺紋頸沿著它的縱向中心軸線固定在平面托座上；一個緊固件，它有一個作為條帶工作時通過它的一個導向端，和一個設計為一個螺紋桿的另一端；并且一個可以在彈簧外殼內旋轉的螺母，它被擰在螺旋柱上來固定條帶。
在本發明的第三優選實施例中，它也可以用第一或第二優選實施例，至少一個由一個氣芯線圈組成的串聯電路，及至少一個電阻被布置在靠近超聲波轉換器傳感器插入件內，并與轉換器元件并聯連接。
本發明的一個重要優點是它提供了一個滿足所有安裝，調整和維修的夾持式超聲波流量計。
從下面的對優選實施例的描述中，結合附圖，將使本發明更為清楚
圖1是一個夾持式超聲波流量計的第一種形式的透視圖，它帶有傳感器組件，安裝在一根管子上，并沿這根管子表面的一條直線；圖2是一個夾持式超聲波流量計的第二種形式的透視圖，它帶有傳感器組件，安裝在一根管子上，并沿這根管子表面的恰好相對的兩條直線；圖3是一個緊固件的透視圖作為在本發明中使用的構成條帶緊固裝置的一部分；圖4是一個顯示傳感器組件結構的剖切透視圖，構成本發明的一部分；圖5是沿圖4傳感器組件一個優選實施例的托座的一條中心線所取的縱向剖面；圖6是一個通過圖5的C-C線取的剖面；圖7是一個沿著圖4中傳感器組件的另一個優選實施例的托座的一條中心線所取的縱向剖面；圖8是一個通過圖7的C-C線取的剖面；圖9是作為在本發明中使用的一個超聲波轉換器的外觀視圖；圖10是圖9中的超聲波轉換器以箭頭A方向觀察的透視圖；圖11是圖9和圖10的超聲波轉換器，通過圖10中B-B線取的一個剖面的一個透視圖；圖12是一個第一級安裝用輔助件的頂部觀察透視圖，用來精確地調整在圖2中所示的一個夾持式超聲波流量計；圖13是圖12中部件細節的一個從底部觀察的透視圖；圖14是一個第二級安裝用輔助件的頂部觀察透視圖，用來精確地調整圖2中所示的一個夾持式超聲波流量計；并且圖15是圖14中部件細節的一個從底部觀察的透視圖。
圖1是一個夾持式超聲波流量計10的第一種形式的透視圖。夾持式超聲波流量計10已經被安裝到一根管子1上，這根管子中流動著要測量其流動速度和/或容積流動比率的一股流體。這股流體是一種液體，一種氣體，或一種蒸汽；流體中也可能含有固體。
本夾持式流量計10由一個第一級傳感器組件2和一個第二級傳感器組件3組成。它們被安裝在沿著管子1表面上的一條直線11上，靠抱固在管子上的第一和第二個條帶4和5分別保證彼此相距一定距離，并且相互鏡相對稱。這兩個傳感器組件2和3分別有一個第一托座6和第二托座7。
每個條帶4、5配有一個分開的可釋放的卡子，其位于管子1的背后，因此在圖中沒表示出來。用這些卡子，條帶4、5，以及在其上的傳感器組件2、3被預安裝到管子1上，這樣，條帶在管子1的軸線方向仍然是可移動的。
圖1還表示出一個安裝用輔助件，用來對兩個傳感器組件2、3定位，使其互相有一個最佳距離。憑借第一和第二蓋板83、84，可以將一個帶有第一和第二排孔81、82的穿孔的條8，暫時或永久地安裝在兩個傳感器組件2，3的邊上。
一個第一螺栓85伸進第一排孔81的一個孔中，一個第二螺栓86伸進第二排孔82的一個孔中。由于第一排孔81的節距與第二排孔82的節距不同，例如，第一排孔81有9孔節距，而第二排孔82有10孔節距，這使得通過相對蓋板83、84移動穿孔的條81來對傳感器組件2、3之間的距離進行非常精確的調整成為可能，因此也可將一個傳感器組件相對另一個進行調整。
圖2是一個夾持式超聲波流量計10’的第二種形式的透視圖。夾持式超聲波流量計已經被安裝到一根管子1’上。它由傳感組件2’、3’組成，安裝固定在沿管子1’的表面恰好相對的兩條直線上，與圖1的布置方式相比較，管子1’的直徑實際上大于管子1的直徑。因此，雖然各個傳感器組件是相同的，但傳感器組件2’、3’顯得比圖1中的傳感器組件2、3小。
傳感器組件2’和3’是靠條帶4’和5’分別安裝的，如圖1在連接部分中的描述。
圖3是一個具有一個第一端板751的緊固件的透視圖。后者有一個長孔752，與條帶4、4’的橫剖面相對應，通過它作為條帶工作運行中導向。緊固件75還有一個螺紋桿753，其相當于一個第二端。
在圖4中，用一個透視的剖切圖表示構成發明部分的傳感器組件2、2’；3、3’的結構。圖5是沿托座的一條中心線取的一個剖面圖，而圖6是沿圖5的C-C線取的一個剖面。圖4到圖6將因此被一起得到解釋說明。
鄰接管子的托座6有一個中心的縱向軸線611并在那兒有一個與托座成為一個整體的管形部分62。在遠離管形部分62的一端，托座6位于在管子1、1’上。為了使其有兩個點與管子接觸，端部61不是平面，而是形成一微小的角度。
在管形部分62里，傳感器插入件63靠一個突出物634在一個槽633里縱向導向，在一個彈簧66，特別是一個螺旋彈簧的作用下，可以來回移動。傳感器插入件63有一個垂直軸線630，包含一個超聲波轉換器64，在被條帶扎緊的情況下，如圖1和2所示，由彈簧66將超聲波轉換器對著管子1、1’加壓。
一個傳感器蓋65已經被放在管形部分62上，并且靠一個通過旋轉可釋放的快速扣緊件67連接到管形部分62上。為連接電纜632，傳感器插入件63的端部最好在一個電纜管631里。傳感器蓋是被旋轉安裝在電纜管上面的。由于美學原因，在傳感器蓋沿圓周上做成了均勻分布的壓痕651。
在圖4中，快速扣緊件67的凹坑671，在圖4和6中的，快速扣緊件67的葉片彈簧都可以看得見。將傳感器蓋朝著管子1向下壓然后旋轉它，可以將這個蓋從管形部分62上卸下來，則可看得見夠得著超聲波轉換器64，如果必要，可以更換它。
安置在托座6的大約縱向中心線61的中點處是一個用作緊固條帶4的一個裝置70，它在圖5中顯示出，但在圖4和6中不可見。這個緊固裝置70有一個軸線701，并且由一個螺旋彈簧71組成，彈簧被容納在一個彈簧外殼72內。后者靠帶有中心孔73的一個螺紋頸74固定在托座6中并位于縱向中心線611上。
緊固裝置70還有一個六方或四方頭761的螺母，它在彈簧外殼72內可以旋轉，并且旋在圖3的螺栓753上，從而緊固條帶4、4’或5、5’。螺母76和螺旋彈簧71被完善地握持在彈簧外殼72內，不脫開散落。
如圖5和7中所示的，可以取得上述效果，例如，將螺母在彈簧外殼內部的一端處做成一個臺肩762，并且在螺旋彈簧71和螺母76被插入彈簧外殼后，將彈簧外殼相對螺母76的一端721向內卷成法蘭緣。
靠轉動在螺栓753上的螺母76，預緊的條帶4、4’或5、5’最終被緊固，并且由于螺旋彈簧71的作用，接頭受一個常定的機械預張力。用這種方法，可以完全補償在使用中可能發生的由溫度導致的條帶長度的變化而造成的影響，因此條帶不會松動。
在圖5和7中，還有圖1中，可以看到在托座6的端部61，提供了一個螺釘夾子端頭它被用作連接接地線或保護性導體。
在圖9到11中，以不同視圖表示在本發明中使用的超聲波轉換器的結構。在圖9的側視圖中，可以看到超聲波轉換器的一個基底。這個基底具有圓柱的形狀，并且是用諸如一種高溫熱塑材料做成的，如聚醚(polyetherimide)(PEI)，即市場上有的商業名“Ultem1000”。
基底641做成一個環形槽642，用來放一個O形圈646，這只能在圖5和圖6中看得到。此外，基底641有一個平的支承表面643，在條帶夾緊的情況下，它壓在管1、1’上面。
圖10是一個在圖9中的超聲波轉換器以箭頭A方向看去的透視圖，圖11是沿著圖10的B-B線取的一個透視剖面。
一個轉換器元件644被粘結到帶有一個金屬圓盤645的插入物的基底上。這個轉換器元件644做成圓盤形，并由陶瓷壓電材料制成，象PZT-5標準軟陶瓷。這個金屬圓盤645有一個在基底641和轉換器元件644之間的熱脹系數。
金屬圓盤645的厚度必須不超過在金屬圓盤645中的超聲波長的四分之一。后者最好是純鋁的，但它也可以是諸如鈦、高級鋼、黃銅或鉛。
特別適合的粘合劑是環氧樹脂粘合劑，它們具有一個高于超聲波轉換器64的允許工作溫度的玻璃轉變溫度，這樣的粘合劑可以得到，例如，從西巴-蓋吉(Ciba-Geigy)巴塞爾(Basel)，瑞士牌號AV8和AV118之內的產品。轉換器元件644和金屬圓盤645緊固在傾斜于支承表面643的一個平面647中的基底641上。這個平面647確定了一個有角度的孔648的底表面。
金屬圓盤645被設計成靠分布大約120°的三個爪6451、6452、6453相對于有角度的孔648自定心。金屬圓盤645被設計成靠分別與三個爪6451、6452、6453分開的，分布也是大約120°的三個凸緣與轉換器元件644對中。這三個凸緣向金屬圓盤645的平面外彎。
金屬圓盤允許超聲波轉換器64和整個夾持式流量計10，10’在一個寬的溫度范圍內使用，在循環溫度應力下，轉換器元件和基底之間的接合處不破壞。
這在夾持式流量計的情況下特別重要，由于在管子1、1’里流動的流體溫度變化可能非常大。
金屬圓盤還允許超聲波轉換器比沒有這樣的一個金屬圓盤的超聲波轉換器在一個更寬的帶寬下工作。此外，這個金屬圓盤改善了在轉換器元件和基底之間的聲學匹配。
在這一點上，應該將圖5到圖8加上進一步的細節。圖5、6和圖7、8顯示出兩個不同的優選實施例。連接電纜632在傳感器內套63內部終結，傳感器內套63在一個插頭635里，插頭被插進一個插座內。插座被安裝在一個小印刷電路板636上，其導引線與轉換器元件644焊接。在圖5和圖6中示出的優選實施例中，印刷電路板636不包括更多的部件。
在圖7和圖8中示出的優選實施例中，印刷電路板636包括一個串聯電路，這個電路由一個空芯線圈637和電路638組成，并與轉換器元件644并聯連接。可以提供幾個這樣的電路。用這樣一個串聯電路或這樣幾個串聯電路，有可能用一個令人吃驚的簡單方式來滿足防爆標準。
圖12和圖14分別示出用作精確調整圖2的夾持式流量計的一個第一安裝輔助件9和一個第二安裝輔助件9’的頂部透視圖。圖13和圖15表示底部局部透視圖。憑借安裝輔助件9、9’，可以沿著管子的表面兩條直線11’、11”精確地安裝圖2的傳感器組件2’、3’，也就是，正好180°相互分開，并且固定在這180°位置上。
用兩根優選的不可拉伸的線繩，例如，細金屬線繩，參照如下的一個第一繩段91和一個第二繩段91’來做。它們之中的第一繩段91如圖12所示，而第二繩段91’如圖14中所示。
圖12中的繩段91的一個第一端92被永久固定，即焊接或加壓安裝在一個第一繩眼93內，繩眼93的孔931的直徑略大于圖3的螺紋桿753直徑，以便通過施加微小壓力就能將繩眼滑動套裝到螺紋桿753上，并且輕微地拉，就能將其從那兒拆下來。
繩段91’的一個第二端94’可以被臨時固定在一個第二繩眼95’里；這樣在這兩個繩眼93’、95’之間的繩段91’的長度可以調節。
繩眼95’由一個基板950’構成，它的一端具有一個帶一個孔954’的小孔953’。這個小孔953’比基板950’厚。孔954’的直徑略大于圖3的螺紋桿753的直徑，以便通過施加微小壓力就能將繩眼95’滑動套裝到螺紋桿上，并且輕微地拉，就能將其從那兒拆下來。
繩91’的端部94’可以用卡塊951’來固定，卡塊靠將一個螺釘952擰進基板950’來向下壓住。卡塊951’在螺釘952’的頭下面。
在將圖2的傳感器組件2’、3’相互調整位置并固定在一個給定公稱直徑的管子上以前，每根繩段91、91’的長度即從繩眼93、93’的孔931、931’的軸線到線繩眼95、95’的孔954、954’的軸線長度用下面公式計算L＝(U2/4+A2)1/2這里U＝管子1’的周長；A＝傳感器組件2’、3’的兩個條帶固定裝置70的軸線701之間的距離。
對于本發明來說，假設距離A的精確值已經在具體應用中確定了，這樣就是已知的了。距離A是與一系列參數相關的，主要是管子1’的直徑，管子的壁厚，被測流體類型，流體的溫度等等。
這些參數從一開始就是已知的，或是可測得的/可確定的，例如將這些參數輸入到一個微處理器，就可以計算出一個具體的應用的距離A的值。例如可以用慣用的超聲波測量技術確定管子1的壁厚和流體類型。相應的測量可以構成夾持式流量計10、10’的部件。
當具體的長度值L被計算出以后，將兩繩段91、91’中的每一個都調整到這個值，用螺釘952、952’和卡塊951、951’，將其端部94、94’夾在基板950、950’上。
下一步，用條帶4’將緊固件75之一，即屬于傳感器組件2’的緊固件預捆到管子1’上，并固定位置，如上所述。將線繩段91的繩眼95，然后是線繩91’的繩眼95’，從相對的螺紋桿753上面滑落套裝到這個緊固件的螺栓的底端。
然后，用條帶5’將屬于傳感器組件5’的另一個緊固件預捆在管子1’上。先將繩段91，繩眼95，然后將繩段91’，繩眼95’從相對的螺紋桿753上面滑落套裝到這個緊固件的螺栓的底端。
當連接這兩個繩段91、91’時，必須注意保證一個繩段從一個螺紋桿繞管子1’一圈到這管子一個邊上的另一個螺紋桿，而另一個繩段在另一邊。
下一步，將條帶5’以管子1’的軸線方向并同時以這管子的圓周方向移動，直到這兩個線繩段91、91’被固定。在那種情況下，這兩個傳感器組件2’、3’是在正確的相對位置，并嚴格分開成180°。
此后，將條帶4’、5’最終固緊，并通過擰緊螺釘76將傳感器組件2’、3’栓在此位置，最后用條帶捆扎緊。于是，兩個螺釘952、952’及卡塊951、951’被松開，以便能將兩個繩段91、91’從繩眼95、95’分離開。最終從相應的螺紋桿上移去繩眼93、93’，95、95’。
權利要求
1.一種夾持式超聲波流量計，由一個第一傳感器組件和一個第二傳感器組件組成，這兩傳感器組件彼此在一給定的距離上定位；兩者或者都沿著傳導被測流體的一根管子的表面一條直線；或者兩者分別沿著這根管子表面上徑向相對的第一條直線和第二條直線，并且分別用第一管箍和第二管箍將它們固緊，并且它們在結構上是相同的，每一個的組成為一個鄰接該管子的平板托座，在該平板托座上有一條縱向中心線和一個與之成為一整體的管形部分；一個在管形部分中被縱向導向的傳感器插入件，該插入件包含一個帶有一個轉換器元件的超聲波轉換器；一個套在該管形部分上的傳感器罩，靠旋轉可釋放的一個快速扣緊件將其扣緊到管形件上，還包含一個將傳感器插入件壓向管子的彈簧；并且一個條帶緊固裝置被安裝在托座里大約在它的縱向中心軸線的中央并且有一個軸線。
2.如權利要求1所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，傳感器插入件上端在一個電纜管里，而傳感器罩被可旋轉地安裝在電纜管上。
3.如權利要求1所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，條帶緊固裝置的組成為一個螺旋彈簧；一個彈簧外殼，靠其上帶有中心孔的一個螺紋頸將其在托架的縱向中心軸線上安裝在托架上；一個緊固件，其上有一個作為條帶導向塊的第一端，條帶工作時穿過這個導向塊，和一個設計成為螺紋桿的第二端；并且一個在彈簧外殼體里可旋轉的螺母，它被擰在螺紋桿上用來固定條帶。
4.如權利要求2所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，條帶緊固裝置的組成為一個螺旋彈簧；一個彈簧外殼，靠其上帶有中心孔的一個螺紋頸將其在托架的中心軸線上安裝在托架上；一個緊固件，其上有一個作為條帶導向塊的第一端，條帶工作時穿過這個導向塊，和一個設計成為螺紋桿的第二端；并且一個在彈簧外殼體里可旋轉的螺母，它被擰在螺紋桿上用來固定條帶。
5.如權利要求1所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，至少一個由一個氣芯線圈組成的串聯電路，至少一個電阻布置在靠近超聲波轉換器的傳感器插入件之內，并與轉換器元件并聯連接。
6.如權利要求2所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，至少一個由一個氣芯線圈組成的串聯電路，至少一個電阻布置在靠近超聲波轉換器的傳感器插入件之內，并與轉換器元件并聯連接。
7.如權利要求3所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，至少一個由一個空芯線圈組成的串聯電路，至少一個電阻布置在靠近超聲波轉換器的傳感器插入件之內，并與轉換器元件并聯連接。
8.如權利要求4所述的夾持式超聲波流量計，其特征在于，至少一個由一個空芯線圈組成的串聯電路，至少一個電阻布置在靠近超聲波轉換器的傳感器插入件之內，并與轉換器元件并聯連接。
全文摘要
本發明涉及夾持式超聲波流量計,包括兩個彼此相間設置的傳感器組件,該傳感器由箍固定在傳導被測流體的管子上。箍包括一個托座;傳感器插入件,該插入件具有一個超聲波轉換器;一個傳感器罩,其包括一個有于將傳感器插入件壓向管子的彈簧和一個條帶緊固裝置。
文檔編號G01F1/66GK1250152SQ9911063
公開日2000年4月12日 申請日期1999年7月22日 優先權日1998年7月22日
發明者海涅里奇·哈根邁爾, 彼得·施瓦岑貝格, 蒂埃里·莫澤, 邁克爾·馮阿爾克斯, 沃爾特·坎伯, 謝爾蓋·洛帕京 申請人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司