[发明专利]用于超声流量测量装置的超声换能器的耦合元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超声流量测量装置的超声换能器的耦合元件，该耦合元件适于通过具有预定介质的耦合元件在第一界面上的反射，进行声纵向波在耦合元件的内耦合表面和外耦合表面之间的波型转换。

背景技术

超声流量测量装置通常应用在加工技术和自动化技术中。它们允许容易地确定管路中的体积流和/或质量流。

通常，已知的超声流量测量装置根据多普勒原理或根据传播时间差原理来工作。在传播时间差原理中，超声脉冲的不同传播时间被计算为液体的流动方向的函数。为此，超声脉冲被在流动方向上以及与流动方向相反地以相对于管轴线的某一角度来发送。根据传播时间差，可以确定流速，并且在已知管路横截面的直径情况下，确定体积流量。

在多普勒原理中，超声波被以某一频率内耦合到液体中，并且计算被液体反射的超声波。根据从耦合波和反射波之间的频移，同样可以确定液体的流速。当液体中存在小气泡或杂质时，发生液体中的反射，从而该原理通常在受污染的液体中应用。

使用超声换能器来产生、相应地接收超声波。为此，超声换能器被固定在相关的管路部分的管壁中。夹合式超声流量测量系统提供另一个选择。该情形中，超声换能器被在外部压靠测量管的壁。夹合式超声流量测量系统的一个极大的优点是它们不接触被测量的介质，并可以被放置在已经存在的管路上。

从US5.052.230已知根据传播时间差原理工作的另一种超声流量测量装置。在该情形中，借助于短的超声脉冲，被称为短的超声脉冲(burst)来探查传播时间。

通常，超声换能器由机电换能器元件例如压电元件，和耦合层尤其是在夹合式系统的情形中也被称为耦合元件组成。超声波在机电换能元件中产生，在夹合式系统的情形中，该超声波通过耦合元件被引导到管道壁并从管道壁引导到液体中，或者在内嵌系统(inline system)的情形中，该超声波通过耦合层被引导到被测量的介质中。在这种情况下，耦合层有时也表示为膜。

布置在压电元件和耦合元件之间的可以是另一耦合层，该另一耦合层是所谓的适配层或匹配层。在这种情况下，适配层或匹配层执行传输超声信号和同时降低由不同声阻抗引起的在两种材料之间的界面上的反射的功能。

为了使干扰耦合元件内的超声信号的反射最小化，例如DE102007062913A1中提供了声音吸收区域。

US4,467,659公开了一种用于流量测量装置的超声换能器的耦合元件。耦合元件具有内耦合表面，压电超声换能器被抵靠该内耦合表面而放置，这在耦合元件中产生了纵向声波。这被在第一界面上反射，使得横向声波被从第一界面反射到外耦合表面，在外耦合表面中，横向声波被从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转换被执行，以便在管壁或管道壁中产生所谓的兰姆波，借助于该兰姆波，测量了被测量的介质穿过管道的流量。另外，US4,475,054公开了用于聚焦经转换的横向波的弯曲界面。这些换能器看起来不适于借助于夹合式超声换能器的常规传播时间差测量，这是因为除了横向波之外，纵向波也被外耦合到管壁或管道壁中，这干扰了测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声流量测量装置，该超声流量测量装置将预定形式的最大声能量耦合到管路中，以便利用此来测量流量。

该目的通过独立权利要求1和12的特征部分来实现。本发明的进一步的进展和实施例设置在各个从属权利要求的特征部分中。

除了将尽可能多的声能量以预定的形式耦合到管路中以外，为了利用此来测量流量，在本发明的耦合元件的应用的情形中，还有尽可能少的声能量以干扰测量的其它形式被内耦合到管路中。本发明的耦合元件适于用于高温夹合式超声流量测量装置中。

附图说明

本发明可以多个形式的实施例提供。现将基于附图的示意图来更详细地解释该实施例中的一些实施例。以相同的附图标记表示附图中提供的相同的元件。附图的示意图如下示出：

图1示出了穿过夹合式超声流量测量装置的常规超声换能器的横截面，

图2示出了穿过本发明的用于夹合式超声流量测量装置的超声换能器的横截面，

图3示出了作为反射角的函数的用于纵向波和横向波的反射系数的曲线图，

图4示出了穿过本发明的超声换能器的另一个实施例的横截面，

图5示出了作为入射角的函数的纵向波和横向波的反射角的曲线图。

具体实施方式