用于確定在物體中的流量的方法和聲學(xué)流量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于確定介質(zhì)在被由介質(zhì)流經(jīng)的導(dǎo)電物體中、尤其在管道或管線中的流量或流量比率的方法。此外，本發(fā)明涉及一種用于執(zhí)行這樣的方法的聲學(xué)流量計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)的非侵入式流量計(jì)須被固定地夾緊到管道或管線上，因此由發(fā)射換能器所產(chǎn)生的超聲可能耦合到管道中。該器械的緊固和隨后的運(yùn)行不損害在管道中的介質(zhì)傳輸，因此說是一種非侵入式的流量測量。楔形的聲耦合器經(jīng)常被額外地使用，其布置在壓電元件與物體之間且其將由發(fā)射換能器所發(fā)出的聲學(xué)信號經(jīng)常在額外使用耦合介質(zhì)的情形下耦合到傳導(dǎo)壁(Leitungswand)中。
[0003]發(fā)射和接收換能器在管道處的安裝和調(diào)試是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作步驟，因?yàn)橐蕾囉诮橘|(zhì)、壁厚和材料定義的在發(fā)射和接收換能器之間的間距對于在管道中所產(chǎn)生的超聲波而言須被精確地維持。
[0004]在與最佳間距輕微偏差的情形中，信號業(yè)已明顯地品質(zhì)下降。此外，常規(guī)的超聲流量計(jì)僅可被使用在相對較窄的溫度范圍中，其中，在此指的是物體、優(yōu)選管道或管線的溫度。換能器的運(yùn)行溫度須明顯處在其居里溫度之下，該居里溫度對于大量被使用的換能器而言通常處在150°與350°之間。一種用于克服該問題的解決方案例如在DE 4124692 Al中進(jìn)行描述，在其中換能器構(gòu)造有用于高溫應(yīng)用的特殊的壓電陶瓷。以此可測量介質(zhì)在帶有直至180°的溫度的物體中的流動速度或流量比率。除了溫度問題之外，然而時(shí)常可能出現(xiàn)由于在聲耦合器的材料中的應(yīng)力的棘手問題，該應(yīng)力由較強(qiáng)的溫度梯度產(chǎn)生。此外，在聲耦合器與管道之間被插入的、大多數(shù)凝膠狀的耦合介質(zhì)的老化是有問題的。隨著耦合介質(zhì)的逐漸老化，在物體中所產(chǎn)生的超聲波的信號質(zhì)量降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是，構(gòu)造一種用于較大使用范圍的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的聲學(xué)流量計(jì)。此夕卜，本發(fā)明的目的是構(gòu)造一種用于聲學(xué)流量測量的經(jīng)改善的方法。
[0006]該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法和一種根據(jù)權(quán)利要求12的裝置來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案由對此參照的從屬權(quán)利要求以及下面的說明書得悉。
[0007]在根據(jù)本發(fā)明的用于確定在被由介質(zhì)流經(jīng)的導(dǎo)電物體、尤其管道或管線中的流量或流量比率的方法的情形中，利用發(fā)射換能器在物體中產(chǎn)生至少一個超聲波。該超聲波在物體內(nèi)側(cè)處作為縱波耦合到介質(zhì)中且在空間上與耦合位置間隔地產(chǎn)生超聲信號，其至少部分通過縱波得出、被由接收換能器接收且被用于評估流量或流量比率，其中，發(fā)射換能器在取消與物體表面的聲學(xué)聯(lián)接的情形下在尤其金屬物體的靠近表面的區(qū)域中產(chǎn)生磁場的第一次變化且通過該變化的磁場與在該區(qū)域中的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的磁場的相互作用產(chǎn)生第一超聲波。此外，通過發(fā)射換能器在物體的該區(qū)域中額外地產(chǎn)生另一變化的磁場且通過該變化的磁場與在該區(qū)域中的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的磁場的相互作用產(chǎn)生另一超聲波，其與第一超聲波如此地疊加，即，合成的波的振幅在接收換能器的方向上被增大而在遠(yuǎn)離接收換能器的方向上被降低，其中，優(yōu)選地第一和第二變化的磁場通過發(fā)射換能器的兩個高頻線圈來產(chǎn)生。不僅發(fā)射換能器而且接收換能器布置在物體之外且同樣地接收換能器優(yōu)選不與物體聲學(xué)聯(lián)接。在權(quán)利要求中，聲學(xué)聯(lián)接被理解為在發(fā)射或接收換能器與物體之間的使傳遞聲波最佳的連接，也就是說例如具有水、油脂、粘合劑等等的連接。僅傳遞聲波的非常少的部分(〈振幅的10% )的單純物理連接不被理解為聲學(xué)聯(lián)接。
[0008]通過該方式的使用，不僅在物體中而且在介質(zhì)中產(chǎn)生明顯改善的超聲信號，因?yàn)閬碜晕矬w的由接收換能器觀察處在發(fā)射換能器之后的部分的干擾反射(且其引起在接收信號中的不期望的占比)被最小化或甚至被完全抑制。除了由于管道反射的干擾超聲占比的降低之外，超聲信號被增強(qiáng)，這在接收換能器的側(cè)面上引起信號更好的接收且同樣引起測量的更高的靈敏度和質(zhì)量。
[0009]此外由于改善的超聲信號可實(shí)現(xiàn)如下，S卩，該超聲信號可多次在介質(zhì)中被反射且由此在接收換能器的側(cè)面上獲得相應(yīng)的多重信號，其同樣有助于評估的改善，因?yàn)槌曅盘栯S著在物體內(nèi)側(cè)處的每次進(jìn)一步的反射額外地被介質(zhì)速度影響且因此經(jīng)歷額外的可評估的變化。
[0010]優(yōu)選地，第一和第二超聲波在遠(yuǎn)離接收換能器的方向上如此地彼此協(xié)調(diào)，S卩，其抵消且因此不產(chǎn)生干擾的反射。尤其地，第二超聲波相對第一波以90°相移地且以λ/4在空間上偏移地被耦合到介質(zhì)中，λ是在物體中所產(chǎn)生的超聲波的波長。
[0011]一種根據(jù)本發(fā)明的方法是特別有利的，當(dāng)變化的磁場通過高頻電感線圈的一個或多個導(dǎo)線來產(chǎn)生時(shí)，其中，導(dǎo)線大致在至少90。上沿著呈管狀或呈通道狀的物體且相對其縱軸線傾斜地延伸。呈管狀的物體優(yōu)選是在橫截面上呈圓形的物體。然而，其同樣可以是其它的橫截面形狀、尤其是多邊形的通道。
[0012]通過一個或多個導(dǎo)線在至少90°上沿著物體的圓周的延伸，管道的自由橫截面的大約一半的區(qū)域被連通。介質(zhì)流量的更好的測量在自由的管路橫截面的較高覆蓋的情形中產(chǎn)生，一個或多個導(dǎo)線以180°、更優(yōu)選地以至少350°圍繞管道的圓周布置。管道以導(dǎo)線的完全纏繞(也就是說圍繞大約360° )引起在物體內(nèi)側(cè)的整個圓周上耦合到介質(zhì)中的聲波的產(chǎn)生。該聲波覆蓋物體、尤其管道的自由的內(nèi)橫截面。此外，在圓周方向上不產(chǎn)生在發(fā)射換能器的可能的邊緣處或者基于發(fā)射換能器的可能的邊緣的干擾的聲波，如其在圓周方向上受限制地被放到物體上且信噪比品質(zhì)下降的常規(guī)的發(fā)射換能器的情形中發(fā)生的那樣。
[0013]為了避免邊緣繞射如下可能是有利的，當(dāng)導(dǎo)線的相反的端部或者轉(zhuǎn)向區(qū)域部分重疊，也就是說在橫向于待檢測的管道的縱向延伸的圓周方向上存在小于所使用的波長(也就是說小于可能處在3_與36_之間)的重疊。備選地，導(dǎo)線或具有導(dǎo)線的扁平帶在相反然而彼此貼靠的端部處可被由待檢測的管壁揭下且由該管壁離開地彎曲以及然后必要時(shí)垂直于管壁延伸地彼此緊靠。導(dǎo)線圍繞優(yōu)選呈圓形的管道的走向于是是在一側(cè)帶有較小尖部的近似圓形。
[0014]在此如下被考慮，S卩，應(yīng)是環(huán)形的管線-管道可具有與理想的呈圓形的橫截面的輕微偏差。
[0015]同樣地，本發(fā)明優(yōu)選適合用于這樣的略微橢圓形的管道橫截面。
[0016]導(dǎo)線除了對于線圈的構(gòu)造而言必要的轉(zhuǎn)向區(qū)域之外的布置相對物體的縱軸線傾斜地進(jìn)行。尤其地，該布置可精確地相對物體的縱軸線橫向地、也就是說90°地實(shí)現(xiàn)。
[0017]在穿過導(dǎo)線且橫向于物體縱軸線的橫截面平面中，發(fā)射換能器的高頻電感線圈的導(dǎo)線因此同樣可彎曲地構(gòu)造，也就是說匹配于物體的外表面的走向。
[0018]根據(jù)已先前描述以及進(jìn)一步下面的補(bǔ)充描述，先前所提出的目的同樣通過一種用于非侵入式確定流量或流量比率的聲學(xué)流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)，其中，該流量計(jì)構(gòu)造用于執(zhí)行先前所描述或者補(bǔ)充描述的方法。根據(jù)本發(fā)明，該聲學(xué)流量計(jì)具有用于在物體中產(chǎn)生至少一個超聲波的發(fā)射換能器，該超聲波在物體的朝向介質(zhì)指向的內(nèi)側(cè)處作為縱波耦合到介質(zhì)中。此外，該流量計(jì)具有用于探測在物體中的超聲信號的接收換能器，其中，超聲信號至少部分通過縱波得出，且其中，發(fā)射換能器在取消與物體表面的聲學(xué)聯(lián)接的情形下為了產(chǎn)生兩個變化的磁場在尤其金屬物體的靠近表面的區(qū)域中具有兩個高頻線圈。這些高頻線圈橫向于物體的縱向觀察相應(yīng)地彼此偏移地布置且相應(yīng)地產(chǎn)生變化的磁場，其與由流量計(jì)所產(chǎn)生的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的磁場一起在靠近表面的區(qū)域中產(chǎn)生超聲波。兩個因此產(chǎn)生的超聲波疊加成期望的定向的超聲波。根據(jù)本發(fā)明的流量計(jì)與物體、例如管線或管道的聲學(xué)聯(lián)接是不必要的。聲學(xué)流量計(jì)的發(fā)射和接收換能器可與物體間隔地布置，其中，