用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件，該耦合元件適于耦合元件的耦合輸入表面和耦合輸出表面之間的聲縱向波通過在耦合元件到規(guī)定的介質(zhì)的第一界面處的反射的波型轉(zhuǎn)換，其中，耦合元件包括到規(guī)定的介質(zhì)的第二界面，其中，耦合輸入表面和第一界面之間的第一角度以及第一界面和耦合輸出表面之間的第二角度被選擇成使得橫向波的一部分被在第一界面處反射到耦合輸出表面，并且其中，耦合輸入表面和第一界面之間的第一角度以及第一界面和第二界面之間的第三角度被選擇成使得縱向波部分在第一界面上反射到第二界面，且反射到第二界面的縱向波的一部分被在第二界面處反射回到耦合元件中，其中，第二界面的質(zhì)心被在耦合輸出表面的穿過耦合輸出表面的質(zhì)心的表面法線的方向上相對于一平面偏移，耦合輸出表面的表面法線與該平面垂直，且耦合輸出表面的質(zhì)心位于該平面中。
【專利說明】用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件，該耦合元件適于通過具有預(yù)定介質(zhì)的耦合元件在第一界面上的反射，進(jìn)行聲縱向波在耦合元件的內(nèi)耦合表面和外耦合表面之間的波型轉(zhuǎn)換。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲流量測量裝置通常應(yīng)用在加工技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)中。它們允許容易地確定管路中的體積流和/或質(zhì)量流。
[0003]通常，已知的超聲流量測量裝置根據(jù)多普勒原理或根據(jù)傳播時(shí)間差原理來工作。在傳播時(shí)間差原理中，超聲脈沖的不同傳播時(shí)間被計(jì)算為液體的流動(dòng)方向的函數(shù)。為此，超聲脈沖被在流動(dòng)方向上以及與流動(dòng)方向相反地以相對于管軸線的某一角度來發(fā)送。根據(jù)傳播時(shí)間差，可以確定流速，并且在已知管路橫截面的直徑情況下，確定體積流量。
[0004]在多普勒原理中，超聲波被以某一頻率內(nèi)耦合到液體中，并且計(jì)算被液體反射的超聲波。根據(jù)從耦合波和反射波之間的頻移，同樣可以確定液體的流速。當(dāng)液體中存在小氣泡或雜質(zhì)時(shí)，發(fā)生液體中的反射，從而該原理通常在受污染的液體中應(yīng)用。
[0005]使用超聲換能器來產(chǎn)生、相應(yīng)地接收超聲波。為此，超聲換能器被固定在相關(guān)的管路部分的管壁中。夾合式超聲流量測量系統(tǒng)提供另一個(gè)選擇。該情形中，超聲換能器被在外部壓靠測量管的壁。夾合式超聲流量測量系統(tǒng)的一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)是它們不接觸被測量的介質(zhì)，并可以被放置在已經(jīng)存在的管路上。
[0006]從US5.052.230已知根據(jù)傳播時(shí)間差原理工作的另一種超聲流量測量裝置。在該情形中，借助于短的超聲脈沖，被稱為短的超聲脈沖(burst)來探查傳播時(shí)間。
[0007]通常，超聲換能器由機(jī)電換能器元件例如壓電元件，和耦合層尤其是在夾合式系統(tǒng)的情形中也被稱為f禹合兀件組成。超聲波在機(jī)電換能兀件中廣生，在夾合式系統(tǒng)的情形中，該超聲波通過耦合元件被引導(dǎo)到管道壁并從管道壁引導(dǎo)到液體中，或者在內(nèi)嵌系統(tǒng)(inline system)的情形中，該超聲波通過稱合層被引導(dǎo)到被測量的介質(zhì)中。在這種情況下，耦合層有時(shí)也表示為膜。
[0008]布置在壓電元件和耦合元件之間的可以是另一耦合層，該另一耦合層是所謂的適配層或匹配層。在這種情況下，適配層或匹配層執(zhí)行傳輸超聲信號(hào)和同時(shí)降低由不同聲阻抗引起的在兩種材料之間的界面上的反射的功能。
[0009]為了使干擾耦合元件內(nèi)的超聲信號(hào)的反射最小化，例如DE102007062913A1中提
供了聲音吸收區(qū)域。
[0010]US4, 467，659公開了一種用于流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件。耦合元件具有內(nèi)耦合表面，壓電超聲換能器被抵靠該內(nèi)耦合表面而放置，這在耦合元件中產(chǎn)生了縱向聲波。這被在第一界面上反射，使得橫向聲波被從第一界面反射到外耦合表面，在外耦合表面中，橫向聲波被從耦合元件外耦合到放置有耦合元件的管壁或管道壁中。耦合元件中的所述波型轉(zhuǎn)換被執(zhí)行，以便在管壁或管道壁中產(chǎn)生所謂的蘭姆波，借助于該蘭姆波，測量了被測量的介質(zhì)穿過管道的流量。另外，US4，475，054公開了用于聚焦經(jīng)轉(zhuǎn)換的橫向波的彎曲界面。這些換能器看起來不適于借助于夾合式超聲換能器的常規(guī)傳播時(shí)間差測量，這是因?yàn)槌藱M向波之外，縱向波也被外耦合到管壁或管道壁中，這干擾了測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種超聲流量測量裝置，該超聲流量測量裝置將預(yù)定形式的最大聲能量耦合到管路中，以便利用此來測量流量。
[0012]該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求1和12的特征部分來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的進(jìn)一步的進(jìn)展和實(shí)施例設(shè)置在各個(gè)從屬權(quán)利要求的特征部分中。
[0013]除了將盡可能多的聲能量以預(yù)定的形式耦合到管路中以外，為了利用此來測量流量，在本發(fā)明的耦合元件的應(yīng)用的情形中，還有盡可能少的聲能量以干擾測量的其它形式被內(nèi)耦合到管路中。本發(fā)明的耦合元件適于用于高溫夾合式超聲流量測量裝置中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]本發(fā)明可以多個(gè)形式的實(shí)施例提供。現(xiàn)將基于附圖的示意圖來更詳細(xì)地解釋該實(shí)施例中的一些實(shí)施例。以相同的附圖標(biāo)記表示附圖中提供的相同的元件。附圖的示意圖如下示出:
[0015]圖1示出了穿過夾合式超聲流量測量裝置的常規(guī)超聲換能器的橫截面，
[0016]圖2示出了穿過本發(fā)明的用于夾合式超聲流量測量裝置的超聲換能器的橫截面，
[0017]圖3示出了作為反射角的函數(shù)的用于縱向波和橫向波的反射系數(shù)的曲線圖，
[0018]圖4示出了穿過本發(fā)明的超聲換能器的另一個(gè)實(shí)施例的橫截面，
[0019]圖5示出了作為入射角的函數(shù)的縱向波和橫向波的反射角的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的夾合式超聲流量測量裝置的超聲換能器I。超聲換能器I包括:稱合兀件2,該稱合兀件2適于稱合兀件2的內(nèi)稱合表面3和外稱合表面4之間的聲縱向波通過耦合元件2與預(yù)定介質(zhì)的第一界面5上的反射的波型轉(zhuǎn)換。用于機(jī)械波尤其是聲波的傳輸?shù)某暳髁繙y量裝置的超聲換能器的這些耦合元件是公知的。在這種情況下，除了聲波的傳輸之外，還發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。機(jī)電換能器元件7被布置在耦合元件2的內(nèi)耦合表面3上。這產(chǎn)生了縱向聲波10，該縱向聲波10在耦合元件2中朝向第一界面5傳播。虛線表示波的寬度。第一界面5由耦合元件2與預(yù)定介質(zhì)的表面形成，該預(yù)定介質(zhì)諸如例如耦合元件2的環(huán)境中的空氣。
[0021]在第一界面5處，縱向波10被反射。作為耦合元件2中的聲速和與耦合元件2的表面5鄰接的介質(zhì)中的聲速的函數(shù)，以及作為縱向波10在第一界面5上的入射角即在內(nèi)耦合表面3和第一界面5之間的第一角度α的函數(shù)，通過耦合元件2中的波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了橫向波11。由此，引入的縱向波10被部分地反射為縱向波10，且部分地作為耦合元件2的第一界面5上的橫向波11反射。它們的相對級(jí)份又取決于上述的參數(shù)。引入的縱向波10的聲能量的一部分還可以以聲波的形式從耦合元件2逸出。此處和以下，將不進(jìn)一步關(guān)注從系統(tǒng)逸出的部分。[0022]反射的縱向波10和反射的橫向波11以不同的角度傳播。兩者都撞擊耦合元件2的外耦合表面4。此處，它們再次被成比例地通過耦合元件2外耦合，并被內(nèi)耦合到被測量的介質(zhì)中，或被內(nèi)耦合到測量管8的壁9中，并且被從壁9然后內(nèi)耦合到被測量的介質(zhì)中。該超聲換能器的問題在于，除了用于測量被測量的介質(zhì)穿過測量管8的流量且又在縱向波進(jìn)入被測量的介質(zhì)時(shí)在外耦合表面4或測量管壁9處反射的橫向波的級(jí)份之外，在測量穿過測量管的介質(zhì)的流量期間，反射到外耦合表面的縱向波也被在外耦合表面4處或在測量管壁9處反射到被測量的介質(zhì)或在測量管壁9中傳播，且該縱向波被認(rèn)為是干擾。
[0023]在圖2中以第一實(shí)施例而如此示出的本發(fā)明的用于超聲流量測量裝置的超聲傳感器的I禹合兀件2包括內(nèi)I禹合表面3和外I禹合表面4,且f禹合兀件2適于聲縱向波在I禹合兀件2的內(nèi)耦合表面3和外耦合表面4之間通過耦合元件與預(yù)定介質(zhì)的第一界面5上的反射的波型轉(zhuǎn)換。然而，除此之外，耦合元件2還包括與預(yù)定介質(zhì)的另外的第二界面6。界面6與耦合元件2的外耦合表面4不相同。
[0024]在本發(fā)明的耦合元件2的應(yīng)用的情形中，如上面已經(jīng)描述的，縱向波10通過內(nèi)耦合表面3被內(nèi)耦合到耦合元件中以傳播到第一界面5，縱向波10被在第一界面5處反射。反射的橫向波11和反射的縱向波10的級(jí)份又取決于上述的對應(yīng)地設(shè)定的參數(shù)而為第一近似值。由此，內(nèi)耦合表面3和第一界面5之間的第一角度α以及第一界面5和外耦合表面4之間的第二角度β被選擇成使得橫向波11部分被在第一界面5上反射到外耦合表面4。此外，第一界面5和第二界面6之間的第三角度Y被選擇成使得縱向波10的反射到第二界面6的可能的部分被在第二界面6處反射回到耦合元件2中。如果第二界面6被相對于第一界面5布置成使得縱向波10部分被在第一界面5上反射到第二界面6，則第二界面6也被相對于第一界面5布置成使得這些縱向波10的一部分被在第二界面6上反射回到耦合元件2中。在這種情況下，不排除縱向波10被在第二界面6上反射回到耦合元件2中。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，與互補(bǔ)波類型例如橫向波的該部分相比，反射回的波的預(yù)定波類型例如縱向波的部分是大的。
[0025]在這種情況下，第二界面6具有面積的中心，該面積的中心被在外耦合表面4的表面法線的方向上相對于虛擬平面偏移，該表面法線延伸穿過外耦合表面的面積的中心。該虛擬平面被在空間中取向使得外耦合表面4的表面法線與該平面垂直地相交。另外，外耦合表面的面積的中心位于該平面中。由此，明確地確定了第二界面6不屬于外耦合表面4。在超聲換能器I的安裝狀態(tài)下的外耦合表面4與例如管路接觸，或者在本發(fā)明的已安裝的流量測量裝置的情形中的外耦合表面4與測量管接觸，以使超聲波耦合到測量管中。第二界面6不接觸測量管，以使在第二界面6上反射的超聲波不被耦合到測量管中。在本發(fā)明的此處所示的實(shí)施例的示例中，第二界面6通過從圖1的耦合元件2切掉一角來形成。耦合元件轉(zhuǎn)動(dòng)離開外耦合表面4的得到的結(jié)構(gòu)部件此處稱為托腳(stand-off)。
[0026]然而，除了角度之外，該表面3、4、5和6自然也對應(yīng)地形成，尤其是相對于它們的尺寸，還相對于它們的形狀。由此，得到該表面相對于彼此的預(yù)定位置。在本發(fā)明的實(shí)施例中，具體地，穿過內(nèi)耦合表面3被耦合的縱向波10既不在托腳的第二界面6上也不在外耦合表面4上無反射地撞擊。通常,外稱合表面也稱為超聲窗。
[0027]如已經(jīng)提到，各個(gè)反射是獨(dú)立于聲波的波長、橫向波的波長或縱向波的波長的第一近似值。因此，本發(fā)明的耦合元件也可以獨(dú)立于超聲換能器或超聲測量系統(tǒng)來設(shè)計(jì)。然而，如果系統(tǒng)應(yīng)該高度精確地測量，則可以考慮:其它參數(shù)，諸如例如耦合到耦合元件的聲波的振幅、波長和/或頻率；參與物質(zhì)的聲阻抗的其它參數(shù)或本發(fā)明的耦合元件的結(jié)構(gòu)元件中的其它參數(shù)，該參與物質(zhì)諸如機(jī)電換能器元件、耦合元件、可能介入的適配層或匹配層、圍繞耦合元件的介質(zhì)、測量管和測量介質(zhì)；或本發(fā)明的耦合元件的結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的其它參數(shù)。
[0028]關(guān)于此，僅已經(jīng)描述了從機(jī)電換能器元件到測量的介質(zhì)的聲波的路徑。然而，對于本領(lǐng)域中的一般技術(shù)人員，清楚的是，根據(jù)上面已經(jīng)描述的內(nèi)容，本發(fā)明的超聲換能器可以用作傳輸器和接收器。
[0029]由此，不僅聲波可以從耦合元件的外耦合表面外耦合。而且，外耦合表面也可以用于將聲波耦合到耦合元件中。對于內(nèi)耦合表面和第一界面，自然也有類似的考慮。而且，機(jī)電換能器元件也適于將聲波換能成電信號(hào)。
[0030]在本發(fā)明的耦合元件的應(yīng)用的情形中，例如，在超聲換能器作為接收器中，內(nèi)耦合表面和第一界面之間的第一角度以及第一界面和外耦合表面之間的第二角度可以被如此選擇，且例如，在安裝本發(fā)明的超聲流量測量裝置且以超聲流量測量裝置取向的狀態(tài)下，聲波可以通過外耦合表面被耦合到耦合元件中，使得聲波的通過外耦合表面耦合的部分作為橫向波被反射到第一界面，且橫向波的反射到第一界面的部分被在第一界面處作為縱向波反射到內(nèi)耦合表面。
[0031]在本發(fā)明的耦合元件2的進(jìn)一步進(jìn)展中，內(nèi)耦合表面3和第一界面5之間的第一角度α以及第一界面5和第二界面6之間的第三角度Y被選擇成使得橫向波的在第一界面5上反射到第二界面的部分的能量比縱向波的在第一界面5上反射到外耦合表面4的部分的能量小，并且/或者角度α和角度Y被選擇成使得縱向波10的在第一界面5上反射到第二界面6的部分的能量基本上比縱向波的在第一界面5上反射到外耦合表面4的部分的能量大。
[0032]從第一界面反射到第二界面的橫向波部分是非常小的。在圖2中，第二界面6與橫向波11的從第一界面5反射到外耦合表面4的部分大致平行地延伸，且據(jù)此，聲橫向波的在第一界面5上反射到第二界面6的部分的能量實(shí)質(zhì)上為零，這是因?yàn)閷?shí)際上沒有橫向波11被從第一界面5反射到第二界面6。從第一界面5反射的縱向波10實(shí)際上被完全在第二界面6上反射，且由此，從第一界面5反射的縱向波幾乎沒有直接撞擊在外耦合表面4上。對應(yīng)地，橫向波的從第一界面反射到外耦合表面的部分是高的，此處是約100%。
[0033]在本發(fā)明的另外的進(jìn)一步進(jìn)展中，角度α還被選擇成使得在第一界面5上反射的縱向波10，由此反射到第二界面6和/或反射到外耦合表面4的縱向波10的振幅是至少10dB，尤其至少是20dB，在第一界面5上反射的橫向波11的振幅水平以下，由此，橫向波11從波型轉(zhuǎn)換形成并被反射到第二界面6和/或被反射到外耦合表面4。然后，角度Y例如被選擇成使得在第二界面6上反射回到耦合表面2中的縱向波的能量最小化，即用于該反射的反射系數(shù)在選定的角度Y下具有全局最小值。
[0034]對于所述的反射中的每一次反射，可以計(jì)算反射系數(shù)。在圖3中作為入射角的函數(shù)繪制的分別是用于橫向波的反射系數(shù)12和用于縱向波的反射系數(shù)13。入射角在0°和90°之間的范圍中，且入射角在引入波此處例如縱向波10和相對于界面此處例如第一界面5的法向矢量之間測量。當(dāng)假設(shè)縱向波10被耦合到與內(nèi)耦合表面3垂直的耦合元件2中，并對應(yīng)地傳播到與內(nèi)耦合表面3垂直的第一界面5時(shí)，則該入射角等于內(nèi)耦合表面3和第一界面5之間的第一角度α。然后，在第一界面5上反射的橫向波11和縱向波10的反射角根據(jù)用于反射的公式對應(yīng)地得到。圖5示出了分別作為第一界面處的縱向波入射角、橫向波入射角的函數(shù)的縱向波反射角和橫向波反射角的曲線圖，該第一界面由作為耦合元件材料的不銹鋼和作為圍繞第一界面區(qū)域中的耦合元件的介質(zhì)的空氣形成。右邊的相對平的曲線表示引入的縱向波(L )的橫向(T )反射，而左邊的較陡的升高的曲線表示引入的橫向波(T)的縱向(L)反射。
[0035]圖3的曲線圖還涉及該材料的匹配，由此，其它材料匹配不應(yīng)該被排除在外。有時(shí)，反射系數(shù)也稱為反射因數(shù)。它是用于反射波的反射振幅的測量，且由此是用于反射能量或從反射能量推導(dǎo)出的變量，諸如例如聲強(qiáng)。在本示例中，在0°的入射角的情形中的縱向波被完全作為縱向波10而反射。然后，第一界面5會(huì)與內(nèi)耦合表面3平行地延伸。用于在第一界面5上反射90°的入射角的值是邏輯上是不存在的，這是因?yàn)閺膬?nèi)耦合表面3傳播的縱向波不會(huì)撞擊第一界面5，這是因?yàn)樵搩烧邥?huì)彼此平行地延伸。對于在第二界面6上的第二反射或任何其它反射，自然也存在這些事實(shí)。此處，僅通過示例，基于第一反射來解釋該圖。
[0036]在選定的第一界面5的情形中，橫向波11會(huì)被以45°的角度反射，其中振幅是約0.6倍的引入縱向波。這表示反射的橫向波11的反射系數(shù)的對入射角繪制的曲線的全局最大值。此處，反射的縱向波11的反射系數(shù)的對入射角繪制的曲線的全局最小值在約66°處。然后，僅約0.04倍的在第一界面5上引入的縱向波的能量作為縱向波10被反射。
[0037]第一界面5和第一角度α根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步進(jìn)展而形成，使得作為橫向波11反射的波的反射因數(shù)對第一角度α繪制的第一曲線12存在著全局最大值，并且對應(yīng)地，作為縱向波10反射的波的反射因數(shù)對第一角度α繪制的第二曲線存在著全局最小值，其中，第一曲線在兩個(gè)點(diǎn)處與第二曲線交叉。
[0038]本發(fā)明的進(jìn)一步進(jìn)展中，內(nèi)耦合表面和第一界面之間的第一角度α在0°和90°之間選擇，使得它位于的在第一界面上反射的縱向波的相應(yīng)的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線12和在第一界面上反射的橫向波的相應(yīng)的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線13的兩個(gè)交點(diǎn)的角度值之間。
[0039]本發(fā)明的另一個(gè)進(jìn)一步進(jìn)展中，內(nèi)耦合表面和第一界面之間的第一角度在0°和90°之間選擇，使得它位于在第一界面上反射的縱向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線12的全局最小值的角度值與在第一界面上反射的橫向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線13的全局最大值的角度值之間。
[0040]這些極限是本領(lǐng)域中的一般技術(shù)人員的指南。取決于該曲線的特性，曲線的繞所述點(diǎn)的斜率可以是非常小的，或者局部最小值或局部最大值可以位于直接附近。在這種情況下，這些極限可以被超過，以便制造本發(fā)明的耦合元件。
[0041]在本發(fā)明的另一個(gè)進(jìn)一步進(jìn)展中，假設(shè)在內(nèi)耦合表面和第一界面之間的在0°和90°之間的第一角度與差的曲線的全局最大值的角度值對應(yīng),該差作為第一角度的在第一界面上反射的橫向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線和在第一界面上反射的縱向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線的函數(shù)。
[0042]由此，如果圖3中繪制的用于反射的橫向波和反射的縱向波的反射因數(shù)之間的差連續(xù)地形成在極限0°和90°之間，且獲得的曲線又對極限0°和90°之間的入射角來繪制，則此處，在約62°的入射角處該曲線具有全局最大值。由此，耦合元件2被構(gòu)造成使得內(nèi)率禹合表面3和第一界面5之間的第一角度α總計(jì)為約62°。在圖6中不出了對角度α繪制的差的曲線圖。
[0043]在一個(gè)形式的實(shí)施例中，內(nèi)耦合表面和第一界面之間的第一角度被在0°和90°之間選擇，使得第一角度與在第一界面上反射的橫向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線的全局最大值的角度值對應(yīng)。作為對該第一角度的替代，內(nèi)耦合表面和第一界面之間的第一角度在0°和90°之間被選擇，使得第一角度與在第一界面上反射的縱向波的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線的全局最小值的角度值對應(yīng)。取決于耦合元件的材料和與介質(zhì)的材料鄰接并取決于聲波的入射角，一種反射的最大值和另一種反射的最小值也可以是一致的。
[0044]如已經(jīng)提及，在第二界面6上的反射和外耦合表面4上的反射也存在類似的關(guān)系。對應(yīng)地選擇第一界面5和外耦合表面4之間的第二角度。
[0045]本發(fā)明的進(jìn)一步的發(fā)展提供了在預(yù)定的α的情形中的角度Y被選擇以使得在第二界面5上反射回到耦合元件2中的縱向波10的能量是最小的，即角度α和Y被選擇以使Y的角度值與在第二界面5上反射的縱向波的反射因數(shù)對角度Y繪制的曲線的全局最小值的角度值對應(yīng)。如果例如角度α被選擇以使它與在第一界面5上反射的縱向波10的反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線的全局最小值的角度值對應(yīng)，則角度Y也被選擇以使在第一界面5上反射到第二界面6的縱向波的入射角與第二界面6上的α相等。
[0046]本發(fā)明的耦合元件例如用于高溫應(yīng)用的工業(yè)過程測量技術(shù)的超聲換能器中，由此，該高溫應(yīng)用是例如當(dāng)被測量的介質(zhì)具有大于150°C或者甚至大于200°C的溫度時(shí)，且放置有耦合元件的管路的外部具有類似的高溫。為了該目的，有利的是耦合元件則至少部分地包括金屬或金屬合金，尤其是鋼、合金鋼或不銹鋼。然而，其它材料也提供選擇，諸如例如合成材料或陶瓷。例如，理想的是縱向波，例如通過鋼管被以傳播時(shí)間差測量所需要的角度而耦合到被測量的介質(zhì)中，其中外耦合表面上的橫向波的對應(yīng)的入射角例如在15°和75°之間。該角度可以具體地通過耦合元件中的聲音的橫向速度來調(diào)整，由此對應(yīng)地選擇該耦合元件的材料。將材料的耐溫性考慮為對于耦合元件的選擇的另一個(gè)界限條件。
[0047]在實(shí)施例的示例中，耦合元件的材料中的聲音的縱向速度對橫向速度的比率位于0.5和0.6之間，尤其是位于0.54和0.57之間，例如在約0.56。
[0048]本發(fā)明的超聲換能器包括本發(fā)明的至少一個(gè)耦合元件，其中，機(jī)電換能器元件7被布置在I禹合兀件的內(nèi)I禹合表面上。超聲換能器可以具有繞I禹合兀件2的殼體。在殼體和耦合元件之間，則存在圍繞耦合元件的介質(zhì)，例如氣體、液體或合成材料，或殼體另外提供用于形成一個(gè)或兩個(gè)界面的材料。本發(fā)明的超聲換能器適于在超聲流量測量裝置尤其是夾合式超聲流量測量裝置中的應(yīng)用。機(jī)電換能器元件7例如是壓電元件。在一個(gè)實(shí)施例中，這是所謂的厚度振蕩器。機(jī)電換能器元件7被在厚度模式下操作，由此它在耦合元件中產(chǎn)生了機(jī)械的尤其是聲學(xué)的縱向波。在任何情形中，機(jī)電換能器元件7必須適于將機(jī)械波尤其是縱向聲波通過內(nèi)耦合表面而耦合到耦合元件中。
[0049]本發(fā)明的夾合式超聲流量測量裝置包括至少一個(gè)本發(fā)明的超聲換能器，而對于傳播時(shí)間差測量，本發(fā)明的夾合式超聲流量測量裝置包括至少兩個(gè)本發(fā)明的超聲換能器。如此配備的夾合式超聲流量測量裝置的兩個(gè)超聲換能器可以被布置在管路上，則這以確定的方式使該管路成為測量管。這種情形中，外耦合表面被與管路接觸和聲學(xué)上耦合地放置。
[0050]這種情形中，外耦合表面可以被直接地安裝在管路的外表面上，由此外耦合表面和管路的材料形成界面，或者外耦合表面通過介入預(yù)定材料，即對于橫向聲波以及同樣對于縱向聲波都具有已知聲速的材料的耦合墊而安裝在管路上。另一個(gè)選擇是在外耦合表面和管路之間放置耦合膏或油脂。通常，耦合墊是硅材料。然而，耦合墊還可以是軟金屬或金屬合金，諸如例如合金鋼或不銹鋼。
[0051]如果耦合元件包括與管路相同的材料或具有聲學(xué)上類似特性的材料，則形成在外耦合表面和測量管壁之間的界面的影響是可以忽略的，這是因?yàn)槁曇魧?shí)質(zhì)上都穿過而不反射。否則，在耦合元件的設(shè)計(jì)中必須考慮這些界面，尤其是形成在測量管壁和被測量的介質(zhì)之間的界面。由于聲橫向波不或僅非常輕微地在液體和氣體中傳播，且由此不可以用于借助于傳播時(shí)間差原理來測量流量，橫向波作為縱向波被耦合到被測量的介質(zhì)中。作為縱向波的反射也是可能的，例如，在從耦合元件過渡到耦合墊中或過渡到測量管中的情形中。然而，如果測量管和耦合元件具有相等的或類似的聲學(xué)特性，則橫向波僅在過渡處作為縱向波反射到介質(zhì)。由此，在該情形中，損失最少的能量。
[0052]因此，有利的是已知管路的材料，或至少它的聲學(xué)特性，諸如它的聲阻抗抗或聲速。對于被測量的介質(zhì)要求是相同的。
[0053]圖4示出本發(fā)明的耦合元件2的實(shí)施例的另一個(gè)形式。此處，托腳被實(shí)施成使得第二界面6位于與外耦合表面4的平面平行的平面中，并在外耦合表面4的平面的法向矢量的方向上偏移。反射回到耦合元件中的縱向機(jī)械波和/或橫向機(jī)械波被反射到耦合元件的具有高衰減的縱向機(jī)械波和/或橫向機(jī)械波的區(qū)域15中。具體地，反射到耦合元件2的該聲音吸收區(qū)域15中的是被第二界面反射的縱向波和/或被外耦合表面反射的縱向波和/或橫向波。附加地或替代地，反射回到耦合元件中的縱向波和/或橫向波，尤其由此反射回第二界面上的縱向波在第三界面上反射，尤其上在第三界面上大致垂直地反射，此處它們從耦合元件2逸出而不進(jìn)一步反射回到耦合元件2中。在此情形中，會(huì)存在各波完全穿過界面。此外，已經(jīng)撞擊第二界面6的縱向波10的很大部分可以通過反射從耦合元件2逸出到外部。
[0054]圖4中所示的結(jié)構(gòu)引起的事實(shí)在于，反射到第二界面6的縱向波10是反射回到第一界面5并從第一界面5又很大程度地反射回到內(nèi)耦合表面3和機(jī)電換能器元件7的某一部分。這些縱向波10可能干擾并由此不利于實(shí)際的測量。然而，根據(jù)反射到內(nèi)耦合表面3并由此反射到機(jī)電換能器元件7的這些聲波的傳播時(shí)間，可以計(jì)算耦合元件2中的溫度。現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)詳細(xì)地描述了溫度的計(jì)算。
[0055]在一實(shí)施例中，第二界面是彎曲的。由此，在耦合元件中在第二界面上反射到耦合元件中的波可以被聚焦回到耦合元件的聲衰減區(qū)域，由此，耦合元件可以做得更小。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一界面是彎曲的，具體地，第一界面被彎曲成使得從第一界面反射到外耦合表面的橫向波被朝向外I禹合表面聚焦。自然地，外I禹合表面也可以是彎曲的，以便例如將聲波聚焦到管路中的被測量的介質(zhì)中或以便將聲波匹配到管路的表面。
[0056]附圖標(biāo)記列表
[0057]I超聲換能器[0058]2耦合元件
[0059]3內(nèi)耦合表面
[0060]4外耦合表面
[0061]5第一界面
[0062]6第二界面
[0063]7機(jī)電換能器元件
[0064]8測量管
[0065]9測量管壁
[0066]10縱向波
[0067]11橫向波
[0068]12橫向波的反射系數(shù)的曲線
[0069]13縱向波的反射系數(shù)的曲線
[0070]14聲衰減區(qū)域
【權(quán)利要求】
1.一種用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，所述耦合元件(2)適于所述耦合元件(2)的內(nèi)耦合表面(3)和外耦合表面(4)之間的聲縱向波通過在所述耦合元件(2)與預(yù)定介質(zhì)的第一界面上的反射的波型轉(zhuǎn)換，其特征在于: 所述耦合元件(2)具有與預(yù)定介質(zhì)的第二界面(6)，其中，所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的第一角度(α )以及所述第一界面(5)和所述外耦合表面(4)之間的第二角度(β )被選擇成使得橫向波部分被在所述第一界面(5)上反射到所述外耦合表面(4)，以及其中，所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α)以及所述第一界面(5)和所述第二界面(6)之間的第三角度(Y )被選擇成使得所述縱向波部分被在所述第一界面(5)上反射到所述第二界面(6)，且反射到所述第二界面(6)的縱向波的一部分在所述第二界面(6)上反射回到所述耦合元件(2)中，其中，所述第二界面(6)的面積的中心在穿過所述外耦合表面(4)的面積的中心的所述外耦合表面(4)的表面法線方向上相對于一平面偏移，所述外耦合表面(4)的所述表面法線與所述平面垂直，且所述外耦合表面(4)的面積的中心位于所述平面中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α )以及所述第一界面(5)和所述第二界面(6)之間的所述第三角度(Y)被選擇成使得在所述第一界面(5)上反射到所述第二界面(6)的橫向波部分的能量基本上比在所述第一界面(5)上反射到所述外率禹合表面(4)的橫向波部分的能量小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的 任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述第一界面(5)和所述第二界面(6)之間的所述第三角度(Y )被選擇成使得所述第二界面(6)與從所述第一界面(5)反射到所述外耦合表面(4)的橫向波部分平行地延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α )被選擇成使得所述第一角度(α )位于對于在所述第一界面(5)上反射的縱向波和在所述第一界面(5)上反射的橫向波的對應(yīng)反射因數(shù)對第一角度繪制的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)的角度值之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α )被選擇成使得所述第一角度(α )位于在所述第一界面(5)上反射的縱向波的反射因數(shù)對所述第一角度繪制的曲線的全局最小值的角度值與在所述第一界面(5)上反射的橫向波的反射因數(shù)對所述第一角度繪制的曲線的全局最大值的角度值之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α )與用于在所述第一界面(5)上反射的橫向波的反射因數(shù)對所述第一角度繪制的曲線與在所述第一界面(5)上反射的縱向波的反射因數(shù)對所 述第一角度繪制的曲線之間的差對所述第一角度繪制的曲線的全局最大值的角度值對應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的第一角度(α )被選擇成使得所述第一角度(α )與在所述第一界面(5)上反射的橫向波的反射因數(shù)對所述第一角度繪制的曲線的全局最大值的角度值對應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述內(nèi)耦合表面(3)和所述第一界面(5)之間的所述第一角度(α )被選擇成使得所述第一角度(α )與在所述第一界面(5)上反射的縱向波的反射因數(shù)對所述第一角度繪制的曲線的全局最小值的角度值對應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述耦合元件(2)至少部分地包括金屬或金屬合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的用于超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)，其特征在于: 所述第一界面(5 )是彎曲的和/或所述第二界面(6 )是彎曲的。
11.用于超聲流量測量裝置的超聲換能器具有機(jī)電換能器元件(7)，所述機(jī)電換能器元件(7 )被布置在所述耦合元件(2 )的所述內(nèi)耦合表面(3 )上，其特征在于: 所述耦合元件(2)是如權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的超聲流量測量裝置的超聲換能器的耦合元件(2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的具有耦合元件(2)的超聲流量測量裝置的使用，其特征在于: 所述耦合元件(2)被直接放置或被介入至少一個(gè)預(yù)定耦合材料地放置在預(yù)定材料的管路上，用于確定穿過所述管路的被測量的介質(zhì)的流量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲流量測量裝置的使用，其特征在于: 所述耦合元件(2)包括具有與所述管路類似的聲學(xué)特性的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的超聲流量測量裝置的使用，其特征在于:所述被測量的介質(zhì)具有高于150°C的溫度。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK103477194SQ201180061599
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月20日
【發(fā)明者】比特·基斯林, 奎林·穆勒 申請人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司