專利名稱：W型超聲波流速計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波流速計，用來測量流過一個測量管的液體或氣體的流量，測量管中安裝有超聲波換能器，測量管壁能夠反射超聲波并具有至少一個聚焦反射平面。
從DE 39 41 544 A1可以知道一種流速計，其中超聲波通過兩換能器之間的一個W形波束路線傳播。聲波首先在管道底部被反射，然后在管道頂部被反射，最后又在管道底部被反射。有一些聲波通過的路線上只有在管道底部的一次反射。這些聲波的能量被管道底部的阻尼材料衰減。
EP 0 521 855 B1中描述了同樣的流速計，但反射平面是彎曲的，這樣聲波便能夠聚焦。在管道底部的聚焦平面之間有一個散焦反射平面。因此聲波中經(jīng)過一V形路線穿過測量管的部分被衰減了。即使使用了這樣的預(yù)防措施，通過流速計的聲信號也大大衰減，接收換能器只能接收到微弱的信號。這一微弱的信號還被沿V形路線通過管道的聲波疊加。當(dāng)換能器接收到一個微弱的信號時，它對噪聲很敏感。這種噪聲可能是機(jī)械的或電磁的噪聲。
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單便宜的超聲波流速計，它能夠進(jìn)行精確而迅速的測量。
這一預(yù)定任務(wù)可以通過使用如介紹所述的流速計來完成。它至少有一個聚焦反射平面為橢球面，換能器位于一個橢圓的焦點上。
由此可達(dá)到一束聲波的所有部分均通過同樣的距離，就可獲得一純凈的信號。從橢圓其中一個焦點上發(fā)出的聲波束將被反射并匯聚于橢圓的另一個焦點上。這樣可導(dǎo)致被接收信號的放大，因而該信號對噪聲的敏感性就降低了。
換能器可以放在換能器平面上。該平面可以相對測量管軸線有一橫向偏移。這樣對測量管中的紊流和層流進(jìn)行測量時，可獲得相同的結(jié)果。
本發(fā)明能通過從管壁反射超聲波數(shù)次，超聲波通過一“W”形波束路線得以完成。因此，即使在測量管有一個小的內(nèi)直徑的情況下也可以獲得一個合理的時間差來測量下游和上游。
流速計可以有幾個橢球鏡面，其中橢圓在反射平面上有公共焦點。因此，流速計可以做成在測量管壁間有許多反射面。通過交替地聚焦和散射超聲波，可以在很長的測量距離上進(jìn)行測量而信號強度不會有大的損失。在一個小直徑管中可以制造一個高效的流速計。在介質(zhì)中有長的信號路徑意味著低的流動速度也可以測量出來。
流速計可以設(shè)計成有至少兩個橢球鏡面，其中橢圓在管道相對兩壁上有公共焦點，而橢圓的其他焦點在換能器表面上。因此，公共焦點可由有特殊反射性能的材料做成，減少了超聲信號的衰減。
反射平面最好可以做成相互并相對于換能器傾斜。因而聲波傳播路成可以鏡向地反射出換能器表面。
超聲波流速計可以制做成使得從第一個換能器發(fā)出的超聲波首先射到一平面鏡上，該平面鏡相對于換能器平面旋轉(zhuǎn)一個角度，然后超聲波又被橢球反射面反射，該反射面相對于換能器平面旋轉(zhuǎn)另一角度，然后超聲波在到達(dá)第二個換能器之前被平面鏡反射回?fù)Q能器平面。因此，在管道的整個截面上均可獲得超聲波。通過這種方式，只使用一個換能器組可以達(dá)到與多道測量相同的效果。
換能器可以布置在測量管的同一側(cè)，但相互間旋轉(zhuǎn)一定角度。因此，可以使超聲波充滿管道的橫截面。
超聲波流速計最好可以設(shè)計成使得換能器位于陰影管上，距介質(zhì)流有一定距離。超聲波在與介質(zhì)流接觸之前穿過該陰影管。因此可實現(xiàn)射在陰影管壁上的聲波的衰減及散射。這樣就確保了通過V形路線的聲波被衰減，消除了測量衰減。
陰影管可以有內(nèi)部反射平面，用來散射超聲波。因此，射到管壁上的一部分聲波束可能向不同方向散射出去。于是，聲波就被轉(zhuǎn)變成為一種不干擾管中測量的噪聲信號。
以下將在圖例的基礎(chǔ)上對本發(fā)明進(jìn)行解釋

圖1表示本發(fā)明一可能實施例的一個剖面，圖2表示本發(fā)明另一可能實施例的一個剖面，圖3表示按該發(fā)明設(shè)計的一個測量管的一個橫截面，圖4表示陰影管的一可能實施例的一個剖面，圖5表示本發(fā)明另一實施例的一個剖面。
圖1表示有兩個超聲波換能器2，3的測量管1的縱截面。換能器可能是磁致伸縮式，電磁式或電致伸縮式的。換能器可以按壓電式設(shè)計。從換能器2，3發(fā)出的超聲信號被鏡面4反射。鏡面4可以設(shè)計成旋轉(zhuǎn)體橢球，換能器放在橢球的焦點7，8上。
超聲波信號從換能器2，3中的一個發(fā)出。傳送器放置在焦點7中的一個上。超聲波信號被鏡面4反射到另一焦點8處，在該處，信號被另外的換能器2，3接收。
圖2表示本發(fā)明另一實施例的一個縱截面。象圖1一樣，測量管1有兩個換能器2，3，它們位于陰影管6，7上，并和介質(zhì)流有一定距離。此處所示的鏡面4設(shè)計為旋轉(zhuǎn)體橢球，放在測量管的頂部和傳送器在同一側(cè)。在測量管底部有一個平面鏡9。換能器2，3被擰入到測量管1中的螺旋塞10，11所固定。換能器2，3被隔膜12，13所保護(hù)，以免與介質(zhì)接觸。隔膜12，13裝在螺旋塞10，11和測量管1的凸緣之間。螺旋塞10，11和測量管1的密封由O型環(huán)14，15實現(xiàn)。圖上表示出一個凹槽16，它可用作放置溫度傳感器。在換能器2，3之間表示出一個盒子17，它內(nèi)部可以裝有一電路，該電路可以產(chǎn)生超聲波脈沖，且能處理所收到的超聲波信號。該電路可以含有一個顯示測量參數(shù)的顯示器。另有一鍵盤可以使得用戶能夠改變顯示器上顯示的各種數(shù)據(jù)。
超聲波是從換能器2，3中的一個發(fā)出的。該換能器放置在橢球鏡4的焦點7、8中的一個上。超聲波首先被上面正對橢球鏡4的平面鏡9反射。然后從橢球鏡4超聲波朝著平面鏡9方向被反射回。在平面鏡9處，超聲波又一次被反射。此后，超聲波匯聚在另一焦點7，8處的另外的換能器2，3上。
圖3表示一個如圖2所示的測量管的橫截面。平面鏡9相對于測量管1的橫軸20旋轉(zhuǎn)一個角度21。形狀象一個旋轉(zhuǎn)體橢球的鏡面4相對于測量管的橫軸20旋轉(zhuǎn)另一個較大的角度。換能器平面19相對于測量管的中心線18有一橫向偏移。
超聲波朝著平面鏡9方向從橢球焦點7發(fā)出，該平面鏡9轉(zhuǎn)過一個角度21。從這里，超聲波朝向橢球鏡4沿一個斜向反射。超聲波被散射且充滿了整個測量管的橫截面。通過橢球鏡4的反射，超聲波被匯聚且經(jīng)由平面鏡9返回到焦點9的換能器表面上。
通過使超聲波充滿測量管的整個橫截面可制成流速計，它可以提供流體截面上各種運動的速度。該流速計能準(zhǔn)確地測量層流以及紊流。
圖4表示陰影管的一可能實施例的一個剖面。圖中示出了陰影管6其內(nèi)側(cè)有一反射平面22。由換能器2發(fā)出的超聲波被散射，其中一部分將射到陰影管6的內(nèi)表面上。這里的反射可能會影響測量，因為超聲波在兩個換能器中沿另一路線傳播。另一條路線可能比理想的路線短一些或長一些。這種不利的超聲波的后果是它們或者比合適的信號早一點到或晚一點到。結(jié)果是測量不準(zhǔn)確。
通過設(shè)計陰影管6的內(nèi)壁使其具有不規(guī)則的反射平面22，超聲波射在管壁上的那部分被散射到各個方向。因而超聲波轉(zhuǎn)變成噪聲而向各個方向發(fā)射，并與測量管中存在的噪聲混合在一起，從而使其對接收換能器的影響消失了。
圖5表示本發(fā)明另一實施例的一個剖面。在這里表示出兩個橢球鏡23，24，它們有公共焦點27。橢球鏡另外的焦點26，28在換能器的表面上。
反射平面27是聲波聚焦的地方，它可由具有優(yōu)良反射性能的材料制成。在測量管中可以鉆孔，反射平面27可以固定在填充孔洞的螺旋塞上。鉆好的孔可攻上螺紋，并和端面拋光的螺釘擰在一起，以便聚焦的超聲波可被螺釘端面反射。
權(quán)利要求
1.一種超聲波流速計，用來測量流過一個測量管的液體或氣體的流量。測量管中安裝有超聲波換能器，測量管壁能夠反射超聲波并具有至少一個聚焦反射平面，其特征在于至少有一個聚焦反射平面(4，23，24)是橢球面，而且換能器(2，3)位于橢圓的焦點(7，8，26，28)上。
2.權(quán)利要求1中的超聲波流速計，其特征在于換能器(2，3)放在一個換能器平面(19)上，該平面相對測量管軸線(18)有一橫向偏移。
3.權(quán)利要求1或2中的超聲波流速計，其特征在于超聲波被管壁反射數(shù)次，超聲波經(jīng)過一個W形的波束路線。
4.權(quán)利要求1或2中的超聲波流速計，其特征在于流速計有幾個橢球鏡(24，25)，橢圓在反射平面(27)上有公共焦點。
5.權(quán)利要求4中的超聲波流速計，其特征在于流速計至少有兩個橢球鏡(24，25)，橢圓在相對的管壁上有公共焦點(27)，橢圓的其它焦點(26，28)在換能器的表面上。
6.權(quán)利要求1-5之一中的超聲波流速計，其特征在于反射平面(4，9，23，24，27)相互并相對于換能器平面傾斜。
7.權(quán)利要求1-6之一中的超聲波流速計，其特征在于從第一個換能器(2)發(fā)出的超聲波首先射到一平面鏡(9)上，該平面鏡相對于換能器平面(19)旋轉(zhuǎn)一個角度，然后超聲波又被橢球反射面(4)反射，該反射面相對于換能器平面(19)旋轉(zhuǎn)另一角度，然后超聲波在到達(dá)第二個換能器(3)之前被平面鏡(9)反射回?fù)Q能器平面(19)。
8.權(quán)利要求1-7之一中的超聲波流速計，其特征在于換能器(2，3)放在測量管的同一側(cè)，但相互間旋轉(zhuǎn)一個角度。
9.權(quán)利要求1-8之一中的超聲波流速計，其特征在于換能器放在陰影管(5，6)上，距介質(zhì)流有一段距離，超聲波在與介質(zhì)流接觸之前穿過該陰影管。
10.權(quán)利要求1-9之一中的超聲波流速計，其特征在于陰影管(5，6)有能散射超聲波的內(nèi)反射平面(22)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波流速計,用來測量流過一個測量管的液體或氣體的流量,測量管安裝有超聲波換能器,超聲波被管壁和聚焦反射平面反射。如果至少有一個聚焦反射平面為橢球而且換能器位于橢圓的焦點上,那么就可以做成一個簡單而便宜的超聲波流速計,它可以進(jìn)行準(zhǔn)確而迅速的測量。
文檔編號G01F1/66GK1172528SQ96191690
公開日1998年2月4日 申請日期1996年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月31日
發(fā)明者S·羅爾克, H·M·漢森 申請人:丹福斯有限公司