CN104583731B - 紧凑的超声波流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波流量计(1)，该超声波流量计包括‑仪表壳体(2)、‑限定了用于待测流体的内部流道(5)的流管(20)和‑一个或多个超声波反射器(8，9，10)，所述仪表壳体(2)包括‑第一换能器凹槽(15)、‑第二换能器凹槽(16)、‑位于所述第一换能器凹槽(15)内的第一超声波换能器(6)、‑位于所述第二换能器凹槽(16)内的第二超声波换能器(7)和‑用于操作所述超声波流量计(1)的电子电路(4)，其中，所述换能器凹槽(15，16)各自具有倾斜底壁(17)，并且其中，所述第一和第二超声波换能器(6，7)分别抵接所述第一和第二换能器凹槽(15)的所述倾斜底壁(17)。本发明还涉及一种组装超声波流量计(1)的方法。

Description

紧凑的超声波流量计
技术领域
本发明涉及一种用于测量流体流量的超声波流量计。
背景技术
现有技术中存在几种超声波流量计。
在欧洲专利申请0 440 867 A1中发现了此类流量计的一个示例，其中换能器倾斜地***。
在美国专利5,351,560中发现了超声波流量计的另一个示例，该流量计具有W形超声波路径，并且其中内壁在V形的寄生(parasitic)超声波路径的反射部位处具有阶梯状的突起/凹陷部。
在美国专利5,372,047中发现了超声波流量计的又一个示例，该超声波流量计具有反射点，所述反射点对超声波束具有聚焦效果。
与上述现有技术有关的一个问题是如何提供高效的和成本效益好的超声波流量计以及此类流量计的组装。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种紧凑的超声波流量计。
本发明的又一个目的是提供一种高效的和成本效益好的超声波流量计和一种用于组装这种超声波流量计的方法。
本发明涉及一种超声波流量计，该超声波流量计包括：
-仪表壳体，
-流管，该流管限定了用于待测流体的内部流道，和
-一个或多个超声波反射器，
所述仪表壳体包括：
-第一换能器凹槽，
-第二换能器凹槽，
-位于所述第一换能器凹槽内的第一超声波换能器，
-位于所述第二换能器凹槽内的第二超声波换能器，和
-用于操作所述超声波流量计的电子电路，
其中，所述换能器凹槽各自具有倾斜底壁，并且
其中，所述第一和第二超声波换能器分别抵接所述第一和第二换能器凹槽的所述倾斜底壁。
在本文中，应理解的是，所述第一超声波换能器抵接所述第一换能器凹槽的所述倾斜底壁，并且所述第二超声波换能器抵接所述第二换能器凹部的所述倾斜底壁。
该超声波流量计适于测量流体的平均流速。这可优选通过所述第一超声波换能器发射第一超声波脉冲来完成。第一换能器定位成使得第一超声波脉冲入射在第一超声波反射器上，所述第一超声波反射器朝向第二超声波换能器反射所述第一超声波脉冲，所述第二超声波换能器然后接收或检测第一超声波脉冲。由此，限定了从第一超声波换能器经由第一超声波反射器到第二超声波换能器上的第一路径。类似地，第二超声波脉冲从第二超声波换能器经由第一超声波反射器发送到第一超声波换能器上，由此限定了第二路径。通过测量作为发射和检测第一超声波脉冲之间的时间的第一通过时间以及作为发射和检测第二超声波脉冲之间的时间的第二通过时间，可以由两个通过时间以及换能器和反射器的几何形状来计算流体的平均速率。
所述第一超声波反射器适于反射超声波，由此将超声波束的路径从一个超声波换能器再定向/改变方向到另一个超声波换能器。
当所述换能器凹槽延伸到流管内时，实现了本发明的一个特定优点。该优点在于，由于超声波换能器相对于换能器凹槽倾斜，所以这些超声波凹槽可构造成具有较小的直径或截面积，由此管开口可制成具有较小的直径或面积。由于这些面积减小，所以可减小流道中的流体对延伸到流道内的换能器凹槽所施加的压力。这导致材料强度和结构设计的减小的最低极限，所述减小的最低极限是所述流体压力的结果。这些减小的极限的结果是，由于例如仪表壳体与流管之间的连接强度需求减小，可构造成更紧凑的流量计。
本发明的另一个优点可在于，包括其构件的仪表壳体可以作为单个机械单元进行组装。由此，能以简单和成本效益好的方式制造和组装超声波流量计。
本发明的又一个优点可在于，由于超声波换能器具有倾斜的定向，所以可将不同直径的流管装配在同一仪表壳体上。仅需改变一个或多个超声波反射器的位置和/或定向。优选地，超声波反射器可通过流道***件固定。因此，对于具有不同直径的各流管而言，流道***件可构造成与特定管配合，且该流道***件还包括超声波反射器，该超声波反射器的位置和定向调节成使得由第一超声波换能器反射的超声波信号经由该超声波反射器传播到第二超声波换能器。由于仪表壳体通常可代表用于制造超声波流量计的工具的主要费用，所以针对每个流管直径制造不同的仪表壳体可能很昂贵。然而，由于仪表壳体可以与不同直径的流管配合，所以可避免或减少该额外成本。
本发明的一个特定优点可在于所述壳体以及第一和第二仪表全部彼此物理连接，从而形成单个单元。因此，可明显更容易地遵循此类仪表通常必须遵循的各种公差。更具体地，通过使所述第一和第二换能器抵接所述换能器凹槽的所述倾斜底壁，优选通过借助于例如导电粘合剂形成各换能器与对应的换能器凹槽的对应底壁之间的物理接触，来获得换能器与位于底壁上的触头(接触器，contact)之间的电气连接，并且此外，获得换能器相对于壳体且由此相对于另一个换能器的相对刚性的固定。
本发明的又一个优点在于，通过使用倾斜的换能器凹槽，所述第一换能器到所述第二换能器之间或所述第二换能器到所述第一换能器之间的超声波路径可构造成使得超声波路径在所有点处都具有沿流管的纵向方向的分量，即该路径在所有点处都不正交于流管的纵向方向。由此，整个超声波路径受待测流体流的影响，且因此有助于更精确和准确的测量。换言之，在本发明的所述仪表不采用耗电措施(例如传输更强的信号和/或额外重复测量若干次并执行平均)的情况下，本发明的流量计与其它方案相比可获得相对较高的信噪比。这对于电池供电的仪表而言可能特别有利，并且甚至可能对于外部供电的仪表而言特别有利，因为此类仪表可能失去外部供电且必须依赖于备用电池电源。
本发明的一个特别有利的方面可在于第一和第二换能器两者被置于仪表壳体内并作为该仪表壳体的一部分。因此，应理解的是，由第一超声波换能器发射并由一个或多个超声波反射器反射的超声波信号在被第二换能器检测到之前将从第一换能器的发射表面传播通过第一换能器凹槽的倾斜底壁，通过流道中的流体，在仍传播通过流体的同时由一个或多个超声波反射器反射，并在最终到达第二超声波换能器的传输表面之前通过第二换能器凹槽的倾斜底壁，在所述传输表面处超声波信号被第二换能器检测到并转换成电信号。
本发明的又一个优点可在于，可避免气泡聚集在换能器-流体界面上，即使流管定向成使得仪表显示器向上，这种定向通常可能是消费者的首选，因为这种定向容许容易地读取显示器。然而，当显示器朝上时，在通常紧凑的仪表设置中的换能器将位于流管的上部中。由于气泡(诸如空气气泡)通常可由流体释放，例如来自水的气泡，这些气泡通常可由于重力而聚集在流管中的最高点附近。气泡在仪表-流体界面附近的这种聚集非常不利，因为会使换能器与流体之间的超声波耦合效率变得相对较低。然而，由于换能器凹槽是倾斜的，所以此类气泡不会聚集在仪表-流体界面上，而是沿换能器凹槽的倾斜底壁向上并至少背离仪表-流体界面上与换能器的中心对应的位置移动。
根据本发明的一个实施例，应理解的是，换能器凹槽是仪表壳体的内部空间的局部延伸，超声波换能器可位于所述换能器凹槽中。由此，超声波换能器可经换能器凹槽的倾斜底壁将超声波信号发射到超声波流量计的流道内，并且反之接收传播通过所述换能器凹槽的所述倾斜底壁的超声波信号。
根据本发明的一个实施例，超声波流量计适于测量流经流道的流体的流速。该流体可以是液体及气体，特别是液体，例如水。
根据本发明的一个实施例，所述第一和第二换能器凹槽延伸通过所述流管中的第一和第二管开口并且延伸进入到所述流道内。
因此，在上述实施例的上下文中特别有利的是换能器凹槽的尺寸得以减小，由此降低流体作用在仪表壳体上的压力。
根据本发明的一个实施例，所述超声波换能器位于所述仪表壳体内，并且其中所述超声波换能器中的至少一个构造成在所述超声波流量计的操作期间发射超声波信号，所述超声波信号传播通过抵接所述至少一个超声波换能器的所述倾斜底壁，通过所述流道中的所述流体，并且所述超声波信号由所述一个或多个超声波反射器反射，然后传播通过抵接接收所述超声波信号的另一个超声波换能器的所述倾斜底壁。
根据本发明的一个实施例，所述第一超声波换能器和所述一个或多个超声波反射器定位和定向成使得，如果在所述超声波流量计的操作期间从所述第一换能器发射第一超声波信号，则所述第一超声波信号由所述一个或多个超声波反射器反射并由所述第二超声波换能器检测到，反之，如果从所述第二超声波换能器发射第二超声波信号，则所述第二超声波信号由所述第一超声波换能器检测到。
根据本发明的一个实施例，所述第一和第二超声波换能器定位和定向成使得，当在所述超声波流量计的操作期间从所述第一超声波换能器传输第一超声波信号时，所述第一超声波信号将传播通过所述第一换能器凹槽的所述倾斜底壁，通过流道中的流体，由所述一个或多个反射器反射，并且该第一超声波信号在由所述第二超声波换能器检测到之前传播通过所述第二换能器凹槽的所述倾斜底壁，并且反之，第二超声波信号可从所述第二超声波换能器经所述换能器凹槽的所述倾斜底壁传输到所述第一超声波换能器。
在一个实施例中，倾斜底壁可指底壁，其中该底壁的表面不正交于换能器凹槽的侧壁的方向，即为倾斜底壁。这里应该指出的是，凹槽的纵向轴线由凹槽的侧面限定。由此，换能器凹槽的纵向轴线优选定向成与流管的纵向轴线正交。本发明的一个特定方面在于，第一和第二换能器两者都被置于仪表壳体中。由此，应理解的是，由第一超声波换能器发射并由一个或多个超声波反射器反射的超声波信号在被第二换能器检测到之前将从第一换能器的发射表面传播通过第一换能器凹槽的倾斜底壁，通过流道中的流体，在仍传播通过流体的同时由一个或多个超声波反射器反射，并在最终到达第二超声波换能器的传输表面之前通过第二换能器凹槽的倾斜底壁，在所述传输表面处超声波信号由第二换能器检测到并转换成电信号。这种具有倾斜底壁的换能器凹槽的一个示例为从仪表壳体延伸并具有底壁的管，所述底壁的表面不正交于该管的纵向轴线。
也就是说，所述壳体包括其中安置第一超声波换能器的第一换能器凹槽和其中安置第二超声波换能器的第二换能器凹槽。
应该指出的是，由于换能器凹槽各自具有其上安置超声波换能器的倾斜底壁，所以所述第一换能器具有第一超声波传输表面且所述第二换能器具有第二超声波传输表面，其中所述第一和第二传输表面分别相对于所述第一和第二换能器凹槽的纵向轴线具有非正交的定向。此外，通过所述第一和第二超声波传输表面与流道的纵向轴线不平行，我们可以相同地限定超声波换能器的定向。限定第一和第二超声波换能器的定向的又一种方式在于，由第一或第二超声波换能器发射的超声波信号的路径将与第一和第二换能器凹槽的纵向轴线不平行，并且也不正交于流管的纵向轴线。
根据本发明的一个实施例，各细长的换能器凹槽的所述纵向轴线与流道的纵向轴线正交。
由此，超声波流量计的组装变得容易，因为单件式仪表壳体可以穿过流管中的管开口而***至流道内。由于该***是通过使仪表壳体沿正交于流道的纵向轴线的方向移动来完成的，所以该***简单，并且此外，例如针对圆柱形的换能器凹槽，通过使管开口的直径与换能器凹槽的直径相适应，管开口可构造成具有与换能器凹槽的截面尺寸和形式相适应的尺寸和形式。
根据本发明的一个实施例，该超声波流量计包括第一、第二和第三超声波反射器。
优选该超声波流量计包括优选以所谓的W形定位的三个超声波反射器。W形是指超声波换能器和超声波反射器定位和定向成使得超声波信号的路径在从侧面看时呈W形式。由此，可使超声波的路径长度最大化以提供更长的通过时间。通过增加通过时间，可确保甚至对于紧凑的流量计而言也能减小信噪比。这对于除通过时间差外还包括用于流量测量的绝对通过时间的超声波流量计而言尤其如此。
然而，在替换性实施例中，仅使用了单个或两个超声波反射器。在一些实施例中，在使用较大直径的流管的情况下，仅使用单个超声波反射器可能是特别有利的。
根据本发明的一个实施例，所述壳体包括电池。
由此，该超声波流量计可独立于外部电源。上述实施例的一个特定优点可在于，仪表可在保持相同的信噪比的同时更节能。
当各所述换能器凹槽具有倾斜底壁时，以及当所述第一和第二超声波换能器各自抵接对应的换能器凹槽的对应倾斜底壁时，从所述第一换能器到所述第二换能器或从所述第二换能器到所述第一换能器的超声波路径可构造成使得该路径至少具有与流道的纵向轴线(即，整体流动方向)平行的非零分量。由于仅超声波路径的与流动方向平行的分量有助于延时，且因此有助于流量的测量，所以根据上述实施例的仪表可构造成在不使用附加反射器的情况下提供更高的信号。由于许多超声波仪表可使用发射基本正交于流动方向传播的信号的换能器，所以此类仪表中在发射换能器与沿着超声波路径(设置)的第一反射超声波反射器之间的超声波路径无助于流量测量，而是仅导致噪音和/或信号衰减，因此降低信噪比。通常，这可通过传输更强的信号或对若干次测量取平均值来进行补偿。然而，本发明的发明人已认识到，通过使用沿不正交于流动方向的方向发射超声波的换能器，可避免或至少最大限度地减少上述耗电措施。
根据本发明的一个实施例，所述一个或多个超声波反射器由三个超声波反射器组成。
因此，由所述第一超声波换能器发射并由所述第二超声波换能器检测到的超声波信号或由所述第二超声波换能器发射并由所述第一超声波换能器检测到的超声波信号由三个不同的超声波反射器正好反射三次。
在上述实施例的上下文中，应该理解的是，该超声波流量计包括用来在所述第一和第二换能器之间反射超声波的正好三个超声波反射器。由此，可在不采用替换性的耗电措施例如提高发射信号的强度或重复测量若干次的情况下获得相对较高的信噪比并且执行相当精确的测量。
根据本发明的一个实施例，所述壳体包括显示器。
由于所述仪表壳体包括电池和显示器，可实现极简单的设计，其中不需要用于供电或通信的外部配线。这在仪表的制造中可能是一个大的优点，因为使用者不必连接电源或读取设备且此外壳体可被密封以延长仪表的使用寿命。
此外，通过将所有电子设备集成在仪表壳体中，消除了对通向/连接至仪表的任何外部配线的需求。
根据一个实施例，超声波的路径将位于流动腔室的纵向对称平面内，即该路径的各部分将仅跨越沿纵向方向将流动腔室分割成两个尺寸相等的部分的单个平面。然而，替换性地，超声波反射器和可能换能器可定向成使得超声波路径的各部分未处于单个平面内。
根据本发明的一个实施例，所述超声波换能器具有面向第一和第二换能器凹槽的底壁的底面，并且其中仪表壳体包括与超声波换能器的底面电气接触并与电子电路电气接触的金属层触头。
借助于该金属层，有助于超声波换能器的底面与电子电路之间的电气接触。否则这种接触可能难以建立并且可能需要繁琐的组装过程。此外，该金属层提供紧凑的电气连接并由此允许紧凑式超声波流量计的组装。
上述实施例的一个特定优点可在于，换能器的基本整个表面可有效地作为超声波发射表面。不然，例如如果换能器具有环绕式(wrap-around)触头，即面向流管的触头延伸到换能器的相对侧以更容易进入电气连接，可能大幅减小换能器的发射超声波的有效面积。因此，当使用这种金属层触头时，可以减小换能器的整个面积，且因此可减小换能器凹槽的面积。此外，这可能是一个重要的优点，因为仪表壳体、锁销等的结构强度可由诸如流道中的流体的压力和流管中供换能器凹槽延伸穿过或至少部分地延伸穿过的孔的面积的参数决定。因此，仪表壳体、销等的尺寸设定可不是关键的，这一点可降低材料成本、组装成本等。
应理解的是，该底面是超声波换能器的传输面，该传输面可在超声波流量计的操作期间发射或检测超声波信号。
上述实施例的另一个优点在于能使用较小的换能器，例如换能器的较小的压电元件。通过使用较小的换能器，可减小仪表壳体的延伸到流道内的突起，从而降低流道中的流体作用在仪表壳体上的压力。这种压力实际上可能非常高，并且可能要求仪表壳体与流道管之间的牢固连接。然而，通过降低该压力，可以不需要考虑这些措施，至少需考虑的程度较低。
根据本发明的一个实施例，超声波换能器各自具有分别与第一和第二弹性触头连接的上侧面。
弹性触头是指柔性的或弹簧式的触头。然而，螺旋弹簧可能不适于与换能器接触，因为换能器相对于流动腔室的纵向轴线且因而还相对于仪表壳体成一定角度地定向。因此可优选使用金属条来提供适于将所述换能器与电子电路连接的柔性触头，所述金属条可以是弯曲的。
此外，由于此类弹性触头可提供朝向流动腔室的力，或至少在朝向流动腔室的方向上具有很大分量的力，所以可通过该力固定换能器。这可以不仅在弹性触头与换能器之间而且在换能器与金属层之间提供改善的电气接触，或至少有保证的接触，即失去电气连接的概率低。
结合上述实施例，应该理解的是，所述上侧面和下侧面应理解为换能器的相对的两侧面。由于换能器具有相对于流动腔室的纵向轴线成一定角度定向的发射表面，所以下侧面应理解为换能器的面向流动腔室的发射表面，而上侧面应理解为相对于下侧面的相对侧面或相对表面。
上述实施例的另一个优点在于，能使用较小的换能器，例如换能器的较小的压电元件。通过使用较小的换能器，可减少仪表壳体的延伸到流道内的突起，从而降低流道中的流体作用在仪表壳体上的压力。这种压力实际上可能非常高，并且可能要求仪表壳体与流道管之间的牢固连接。然而，通过降低该压力，可以不需要考虑这些措施，至少需考虑的程度较低。
此外，由于金属弹簧触头通常可用来提供电子电路与换能器之间的电气连接，并且由于此类金属弹簧由于几何形状不匹配而不适合供倾斜的换能器使用，所以此类倾斜的换能器通常可视为是不利的。然而，弹性触头提供了使用倾斜的换能器的简单方案。
根据本发明的一个实施例，弹性触头包括弯曲的金属条。
根据一个示例性实施例，换能器为压电元件。通过使这种压电元件的两个相对的侧面与电源接触，并且借助于电源在压电元件两侧作用交流电压，压电元件根据交流电压振动，并由此产生声信号，例如超声波信号。
根据本发明的一个实施例，超声波换能器是聚焦的。
通过利用聚焦换能器来聚焦超声波信号，获得了若干优点。这些优点之一在于，预期(intended)信号(即顺循第一或第二超声波路径的信号)可更高效地从第一换能器传输到第二换能器，或从第二换能器传输到第一换能器。另一个优点在于，非预期的超声波路径，例如V形路径，将较低效地在两个超声波换能器之间传输。
根据本发明的一个实施例，超声波流量计还包括流道***件。
这种流道***件可提供紧凑的流量计的单次的且因此成本效益好的组装。此外，这种流道***件可提供对超声波反射器的固定、使流体可在其中流动的空间变窄而导致流速更高、引导流体以增加与超声波路径的重叠、阻断(阻碍，阻塞；blocking)或以其它方式区分不需要的或寄生的超声波路径。
优选地，这种流道***件可由优选镜像对称的两个半部组装而成。
根据本发明的一个实施例，所述一个或多个超声波反射器被固定在所述流道***件中。
例如，超声波反射器可优选通过由两个半部组装流道***件并且将超声波反射器装配在半部之间而在流道***件组装时固定在流道***件中。所述超声波反射器固定到所述流道***件应理解为超声波反射器可形成流道***件的一部分。
根据本发明的一个实施例，所述流道***件由两个镜像对称的半部组装而成，组装好的流道***件在半部之间具有分隔/分割表面，所述分隔表面从所述流管的面向仪表壳体的一侧延伸所述流管的相对侧。
根据一个替换性实施例，该分隔表面以距离所述仪表壳体基本相同的距离跨流管延伸。即，分隔表面的一侧面向仪表壳体，而相对侧背离所述仪表壳体。
然而，分隔表面从所述流管的面向仪表壳体的一侧延伸到所述流管的相对侧的上述实施例可能是优选的，因为在该实施例中所有超声波反射器都可位于分隔表面内。这在超声波流量计的组装期间可能是一个特别的优点，因为任一超声波反射器都无需嵌入到任何半部中。确切地说，各超声波反射器可仅通过两个半部中的每一个中的对称的凹槽固定。
根据本发明的一个实施例，流道***件包括用于引导流体流的引导元件。
通过所述引导元件，流过流道***件的流体流被改变以提供流动路径与超声波信号路径之间更大的空间重叠。该效果对于较小的仪表而言尤其明显。通过增大该重叠，还可增大相互作用，这导致更大的上行和下行时间差，该更大的时间差继而可通过减小信噪比而使流体流速的测量值的不确定性更小。
此外，由于引导元件可突出到流动腔室的内部空间内，所以它们可连同流道***件的其余部分一起有助于提高流道***件中的流体的局部压力，这引起超声波信号的向上通过时间和向下通过时间之差更大，由此减小测定的流体流速的相对不确定性。
根据本发明的一个实施例，流道***件的引导元件适于压制(压抑，抑制，extinguish)超声波。
压制是指引导元件对入射在引导元件的表面上的任何超声波信号进行辨别。该压制的物理机制可以不同，例如通过散射超声波信号或通过将超声波信号再定向成使得它到达采用正确的行进路径能检测到超声波信号的部位的程度较低，以便阻挡或吸收超声波信号。这种再定向例如可以通过沿特定方向的散焦或反射等来进行。可例如通过凸面实现散焦。该作用提供了干涉和可能阻塞从第一换能器到第二换能器和从第二换能器到第一换能器的超声波脉冲的替换性路径(例如所谓的V形路径)的优点。
根据本发明的一个实施例，一个或多个超声波反射器能聚焦。
这可优选地利用凹面反射器来实现。或者，它可以借助反射器前方的透镜状物体或反射器的凹镜与透镜状物体的组合来实现。通过增加来自W形路径的信号而在W形路径与不需要的或寄生的其它路径例如V形路径之间进行区分。
根据本发明的一个实施例，第一和第三超声波反射器的反射表面定向成使得这些反射表面相对于流道的纵向轴线成角度。
在本文中，相对于流道的纵向轴线成一定角度应理解为超声波反射器的反射表面与纵向轴线不平行。在超声波反射器非平面的情况下，应理解的是，根据本实施例的超声波反射器定向成使得最佳逼近非平面的反射表面的平面与纵向轴线不平行。这种最佳逼近例如可为一个能提供与实际反射器所提供的相同的反射超声波信号的传播方向的平面。
上述实施例的一个优点在于，同一仪表壳体可在不改变超声波换能器的定向的情况下与不同直径的不同流道管配合。相反，不平行的超声波反射器可例如通过将超声波反射器固定在适于与相应流道管配合的不同流道***件中根据流道管的几何形状来定位和定向。由此，仅需制造单一类型的仪表壳体，并且由于制造该部件的工具可能构成了制造费用的主要部分，因而这是一个极大的优点。此外，现存的仪表壳体可适于在不调节超声波换能器的情况下与其它流道管相适应/匹配。
使用倾斜反射器的又一个优点在于，这可防止来自流体的碎屑聚集在反射器中，或至少减轻这种碎屑聚集效应。尽管一些碎屑可能聚集在反射器上，但由于反射器的不对称定向，碎屑聚集可主要地限制在反射器的边缘附近的区域，这由此维持了超声波信号的高反射率。
根据一个实施例，一个或多个超声波反射器固定到流道***件。这可例如通过由两个对称的元件组装流道***件来完成，所述对称的元件在组装好时在所述一个或多个超声波反射器周围锁紧在一起。
根据本发明的一个实施例，流道***件通过仪表壳体相对于流管固定。
该固定例如可通过使仪表壳体具有容纳两个超声波换能器的两个突起来提供。这两个突起然后可延伸到流道内。
根据本发明的一个实施例，通过一个或多个锁销使仪表壳体相对于流管固定。
借助于上述实施例中的一个或多个实施例，可通过如下方式来组装流量计：通过所述流道***件固定所述超声波反射器，此外通过所述仪表壳体固定所述流道***件，并且最终通过借助于拆分式***件(split insert)将所述仪表壳体固定到所述流道。由此，提供了一种用于组装所述流量计的有利的组装方法。该组装方法的一个优点在于，可以在不调节换能器和/或超声波反射器的定向的情况下完成该组装，因为这些定向由它们各自的保持装置——即用于换能器的仪表壳体和用于超声波反射器的流道***件——决定。
本发明还涉及一种组装超声波流量计的方法，所述超声波流量计包括：
-仪表壳体，
-流管，该流管限定了用于待测流体的内部流道，和
-流道***件，
所述流道***件包括：
-一个或多个超声波反射器，以及
-第一和第二***件开口，
所述仪表壳体包括：
-第一换能器凹槽，
-第二换能器凹槽，
-位于所述第一换能器凹槽内的第一超声波换能器，
-位于所述第二换能器凹槽内的第二超声波换能器，和
-用于操作所述超声波流量计的电子电路，
其中，所述换能器凹槽各自具有倾斜底壁，并且
其中，所述第一和第二超声波换能器分别抵接所述第一和第二换能器凹槽的所述倾斜底壁，
所述方法包括以下步骤：
-将所述流道***件***所述流道内，
-将所述第一和第二换能器凹槽穿过所述第一和第二管开口***至所述第一和第二***件开口内，以及
-将所述仪表壳体固定到所述流管。
由此，提供了一种组装超声波流量计的简单方法，该方法高效且成本效益好。这是本发明的一个优点。
根据本发明的一个实施例，根据上述实施例的方法可供用于组装根据本发明的任何实施例的超声波流量计。
附图说明
下面将参考附图描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的超声波流量计的截面图，
图2示出了根据本发明的一个实施例的在将仪表壳体与流管组装在一起之前的超声波流量计的截面图，
图3示出了根据本发明的一个实施例的超声波流量计的截面图中的部件，
图4示出了根据本发明的一个实施例的流动路径和超声波信号的路径，
图5A和5B示出了根据一个实施例的超声波流量计及其组装方法，
图6示出了根据一个实施例的具有聚焦换能器的超声波流量计的截面图，以及
图7A、7B和7C示出了根据一个实施例的具有不同流管直径的超声波流量计的示意图。
具体实施方式
参照图1，示出了本发明的一个实施例。示出了超声波流量计1；该超声波流量计1包括仪表壳体2、流管20和流道***件12。仪表壳体2包括电子电路4、电池、第一和第二换能器凹槽15、16、第一和第二换能器6、7、第一和第二弹性触头24、25、金属层触头26以及显示器23。电子电路4由电池3供电，并经由第一和第二弹性触头24、25以及包括金属层和弹性部的金属层触头26与第一和第二换能器6、7接触。第一和第二超声波换能器6、7分别位于第一和第二换能器凹槽15、16中。如在图1中可见的，这些换能器凹槽15、16各自具有倾斜底壁17。由于第一和第二换能器6、7位于换能器凹槽15、16的底部中，所以超声波换能器6、7的超声波发射表面36用于定向成不与换能器凹槽15、16的纵向轴线18正交的各换能器6、7。该纵向轴线18可例如被限定为与相应换能器凹槽6、7的侧壁平行。流道***件12包括第一、第二和第三超声波反射器8、9、10，这些超声波反射器定位和定向成将由第一超声波换能器6发射的超声波信号反射和引导到第二超声波换能器7上，所述第二超声波换能器然后可以检测该超声波信号，并且反之将超声波信号从第二超声波换能器反射或引导到第一超声波换能器。流管20具有第一和第二管端开口37、38并且将流道5限定为管端开口37、38之间的内部空间。在超声波流量计1的操作期间，第一和第二管端开口与用于移送所述流体的管道***连接。流体流经第一管端开口37，流经流道5，并经第二管端开口38流出，或沿反方向流动。在以下描述中，流体描述为从第一管端开口37流到第二管端开口38，但流体当然可沿反方向流动。超声波信号从第一超声波换能器6发出。超声波信号移动通过第一换能器凹槽15的倾斜底壁17，经流体到达第一超声波反射器8上，所述第一超声波反射器8沿朝向第二超声波反射器9的方向反射超声波，所述第二超声波反射器9继而沿朝向第三超声波反射器10的方向反射该超声波信号。第三超声波反射器10朝向第二超声波换能器7反射超声波信号。该超声波信号经第二换能器凹槽16的倾斜底壁17移动到第二超声波换能器7上，在第二超声波换能器处检测到超声波信号并将其转换成发送到电子电路4的电信号。然后，超声波信号可沿反方向发送，即从第二超声波换能器7发送到第一超声波换能器6，在第一超声波换能器处该信号也被转换成发送到电子电路4的电信号。通过比较两个超声波信号的传播时间即从一个换能器发出超声波信号的时刻点到该超声波信号被另一个换能器检测到的时刻点之间的时距，可计算出流体的速率。然后，通过获知流管20的流量剖面(flowprofile)，将流速转换成单位时间的体积。最后，通过对一段时间内的该单位时间的体积进行求和，测得消耗的体积。在一些实施例中，这些计算由电子电路4执行，但也可在公用事业公司的设备中心处执行，即可通过例如人工读取或利用无线技术(如无线电通信)从仪表提取仪表数据，诸如传播时间或其它表示传播时间的数据。
根据本发明的一个实施例，可基于对从第一换能器到第二换能器和从第二换能器到第一换能器的通过时间(渡越时间，time-of-flight)的测量、优选通过测量两个通过时间之差来计算流经测量腔室的流体的速率。通过时间(t上＝超声波信号逆着流体流传播的通过时间，t下＝超声波信号沿与流体流相同的方向传播的通过时间)与流体的流速之间的关系可根据不同几何形状，即不同的超声波信号流动路径而变化。然而，通常可适用的是
其中v流体为流经测量腔室的流体的流速，Δt为逆流通过时间t上与顺流通过时间t下之差，且t为超声波信号的通过时间。通过增大Δt，测量的相对不确定性降低，然而，通过增大t，该不确定性大幅降低，因为t按平方变化/起作用。因此，根据多个实施例的流量计在v流体的测量中具有降低的不确定性，因为Δt和t两者都增大。
这里，应该指出的是，本发明不受以上呈现的理论描述的约束，所述理论描述仅为了说明本发明的优点而呈现。
参照图2，示出了本发明的一个实施例。还参照上述实施例，本实施例示出了在所述仪表壳体2与所述流管20组装在一起之前的超声波流量计1。此处可以看出，其中安置有第一和第二超声波换能器6、7的第一和第二换能器凹槽15、16可***流管20中的第一和第二管开口21、22内。关于超声波流量计1的组装，在图2中可见流道***件12定位于使得流管20中的第一和第二管开口21、22紧挨着流道***件12中的第一和第二***件开口33、34而定位的位置处。由此，第一和第二换能器凹槽6、7在超声波流量计1的组装期间***流管20中的第一和第二管开口21、22以及第一和第二***件开口33、34中。由此，流管20和流道***件12的位置由于第一和第二换能器凹槽6、7接合在第一和第二管开口21、22以及第一和第二***件开口33、34内而相对于彼此固定。然而，该固定取决于仪表壳体2在流管20上的固定。可例如通过将一个或多个锁销11***穿过流管20和仪表壳体2的接合开口内来帮助该固定。本实施例的设置可有利地降低流道5中的流体作用在仪表壳体2上的压力，因为换能器凹槽15、16的尺寸可由于超声波换能器6、7的倾斜定位而减小，但该设置也可引发如何将电子电路4与换能器6、7电气连接的问题。然而，如通过放大而部分地示出的，借助于与第一换能器6的上表面35接触的第一弹性触头24和与第一换能器6的发射表面36接触的金属层触头26，第一换能器6与电子电路4进行电气接触。类似地，第二换能器7借助于第二弹性触头25和金属层触头26与电子电路4进行接触。在本实施例中，使用了共同的金属层触头26。然而，在替换性实施例中，可使用两个单独的触头。
现在，参照图3，示出了本发明的一个实施例。在图3中，示出了组装之前(即各个部件可见)的超声波流量计1。超声波流量计1的仪表壳体2由多个不同部件组装而成。仪表壳体主体32在底部中具有第一和第二换能器凹槽15、16。第一和第二换能器凹槽15、16各自适于接纳第一和第二超声波换能器6、7中的一者。第一和第二换能器凹槽15、16具有倾斜底壁17，该倾斜底壁导致第一和第二超声波换能器6、7定向成使得它们各自的超声波发射或接收表面不与流道5的纵向轴线19平行且不正交于换能器凹槽15、16的纵向轴线18。仪表壳体2还包括电子电路4，该电子电路与所述第一和第二超声波换能器6、7并与电池3电气接触。在此实施例中，以如下方式建立电路4与第一和第二超声波换能器6、7之间的电气接触。第一和第二弹性触头24、25在一端分别与第一和第二超声波换能器进行接触，而在另一端与电路4进行接触。此外，金属层触头26建立所述第一和第二超声波换能器6、7的底面与电路4之间的电气接触。根据本实施例，电路4固定在第一连接部28中，向电路4供电的电池3也可固定在该第一连接部28中。第一连接部28与第二连接部29连接，所述第二连接部29连同第三连接部30一起将第一和第二弹性触头24、25的一部分夹在中间。第三连接部30然后可与仪表壳体主体32连接。最后，该仪表壳体包括用于显示例如消耗数据(例如瞬时消耗率、自最后一次读取以来的累计消耗和/或整个使用寿命期内的累计消耗)或其它数据(例如仪表标识号、生产系列号等)的显示器23。显示器23通过显示器框架27固定到仪表壳体主体32。该仪表还包括流管20，该流管限定有流道5作为流管20的中空内部空间。流管20具有位于一端的第一管端开口37和位于相对端的第二管端开口38。待测流体然后可流经第一管开口37，流经流道5，并经第二管开口38流出，或沿反方向流动。优选地，流管20可以与现有的管道***连接，由此允许流体流动通过流道5。仪表壳体2可以通过***使仪表壳体2的底部与流管20的第四连接部连接的锁销11而与所述流管20的第四连接部31连接。最后，优选可由两个镜像对称的半部组装而成的流道***件12可***流道5内。两个半部可具有用于第一、第二和第三超声波反射器的***凹槽，使得当两个半部组装成流道***件12时，超声波反射器能结合在该流道***件12中。流道***件12可在通过锁销11将仪表壳体2与流管20组装在一起之前在与仪表壳体2相对的位置或该仪表壳体下方的位置处***流道5内。当组装好该流道***件12的两个半部时，仪表壳体2的换能器凹槽15、16可***流管20中的管开口21、22和形成在流道***件12中的***件开口33、34内。由此，流管20和流道***件12相对于仪表壳体2的位置至少固定在平行于流管20的纵向轴线19的方向上的位置处。最后借助两个锁销11将仪表壳体2的位置固定在流管20上。这些锁销11与位于仪表壳体2和流管20的第四连接部31中的锁销开口39接合。根据本实施例，两个锁销11的端部适于彼此接合并锁定在一起。借助所述锁销11将仪表壳体2固定到流管2。此外，换能器凹槽15、16将流管20固定到流道***件12。由此，使超声波流量计1的各部分彼此固定。
现在参照图4，示出了本发明的一个实施例。示出了超声波流量计1的一部分，其包括限定了流道5的流管20、其中分别安置有第一和第二换能器6、7的第一和第二换能器凹槽15、16。此外，示出了包括第一、第二和第三超声波反射器8、9、10以及引导元件14的流道***件12。超声波信号从第一超声波换能器6发射并由第一、第二和第三超声波反射器8、9、10反射到第二超声波换能器7上，在第二超声波换能器7处检测到超声波信号并将其转换成电信号。示出了从第一超声波换能器6经由超声波反射器8、9、10通向第二超声波换能器7的超声波信号路径44。该超声波信号路径44当然应理解为表示超声波信号的传播方向，但并非限制为超声波信号向精确的路径线44的传播，因为实际路径当然会绕路径线44在空间上延伸。此外，示出了流体流动线42。该流体流动线42图示了流体介质流动通过流道5。此处，流体流动线42当然也应理解为表示流动方向并且在空间上无限制，因为该流动当然会在流管20的可利用内部延伸/扩展。由于引导元件14延伸到超声波反射器8、9、10之间的流道5内，因而可如流体流动线42所示再定向或引导流体流。引导元件14的实际作用范围当然可与所示范围不同；通常该作用可能不太明显。此外，应该指出的是，流体流动线42不是左右对称的，而是朝图4的右方移位。这可通过引导元件对实际流体流动的影响被延迟或阻碍来解释。由于引导元件14引起的流体流动方向的变化，可增大流体与用路径线44表示的超声波信号之间的相互作用。这归因于流动的流体与超声波信号之间的相互作用与下式之间的路径积分成比例：
其中I为相互作用，F为表示流体流的矢量场，r为空间坐标，而S限定了通过两个换能器6、7之间的流体的超声波路径。由于引导元件14对流体流的影响在于该流体流与超声波信号路径44处于相同方向上的程度更高，所以点积F(r)〃dr增大，从而引起相互作用I的增大。相互作用I的增大可能是有利的，因为这导致了往复通过时间之间的时间差Δt的增大，该Δt的增大又导致流体流速的更精确的测量结果。
参照图5A和图5B，示出了本发明的一个实施例。在图5A中示出了包括流管20、仪表壳体和流道***件12的超声波流量计1。未详细示出上述部件，但应理解的是，本实施例中可存在上述实施例中的任何元件。流道***件12位于流管12流道5中，使得第一和第二***件开口33、34定位成分别与第一和第二管开口21、22相对。然后，在组装期间，第一和第二换能器凹槽15、16***第一和第二管开口21、22内，并且此外至少部分地***流道***件12的第一和第二***件开口33、34内。由此，流道***件12的位置相对于流管5而固定。然而，为了将仪表壳体2固定到流管20，可使用不同方法。在一个实施例中，锁销39可穿过流管2的一部分中的开口***至仪表壳体2中的开口内，或反之亦然。例如，可按如下使用两个锁销39：将两个锁销39从仪表壳体2的相对侧***且然后例如通过棘轮式连接使两个锁销39连接。此外，在一个替换性实施例中，锁销的突起可接合另一个锁销、仪表壳体2和/或流管20中的凹槽，或反之亦然。此外，在另一个替换性实施例中，仪表壳体的一部分的突起，例如换能器凹槽，可接合流管20中的凹槽(例如管开口21、22)或流道***件12中的凹槽(例如***件开口33、34)，或反之亦然。当仪表壳体固定到流管20或流道***件12时，由于流管20和流道***件12在换能器凹槽15、16***管开口21、22中时被锁定在一起，流管5、仪表壳体2和流道***件12三者全部锁紧在一起或固定。
现在参照图6，示出了根据本发明的一个实施例的超声波流量计1的一部分的截面图。超声波流量计1包括限定流道5作为内部空间的流管20、仪表壳体2和流道***件12。仪表壳体2包括位于第一换能器凹槽15中的第一超声波换能器6和位于第二换能器凹槽16中的第二超声波换能器7，两个超声波换能器6、7都抵接相应换能器凹槽15、16的倾斜底壁17。流道***件12包括第一、第二和第三超声波反射器8、9、10。这些超声波反射器8、9、10定位和定向成将超声波信号从所述第一超声波换能器6反射到所述第二超声波换能器7，且反之亦然。如从图6可见的，倾斜底壁17各自具有位于仪表壳体2与流道5之间的聚焦界面43，该聚焦界面此处示为凸面。在不同实施例中，聚焦效果当然可能不同。此外，在替换性实施例中，聚焦效果可归因于换能器与倾斜底壁之间的聚焦界面，或聚焦界面的组合。通过对发射的超声波信号进行聚焦，该超声波信号的更大部分可到达接收(超声波信号)的超声波换能器，由此增大信噪比。类似地，通过在接收的换能器之前聚焦超声波信号，可增大信噪比。
参照图7A、7B和7C，示出了本发明的一个实施例。图7A、7B和7C各自示出了超声波流量计的一部分，包括仪表壳体2的一部分、限定有流道5的流管20和一个或多个超声波反射器8、9、10。这些超声波反射器8、9、10将从第一超声波换能器6发出的超声波信号反射到第二超声波换能器7上。示出了超声波信号的路径44。如从图7A、7B和7C可见的，同一仪表壳体2，包括在该仪表壳体2中等同地定位和定向的相同超声波换能器6、7，可以与不同直径的流管20连接。然而，针对流管20的不同尺寸或直径，可以改变一个或多个超声波反射器8、9、10的位置和/或定向。这说明了本发明的一个优点在于相同的仪表壳体2可用于不同尺寸或直径的流管20。此外，在图7C中仅示出了一个超声波信号反射器8，从而说明了这可能对于更大尺寸或直径的流管20而言是有利的。
附图标记清单
1.超声波流量计
2.仪表壳体
3.电池
4.电子电路
5.流道
6.第一超声波换能器
7.第二超声波换能器
8.第一超声波反射器
9.第二超声波反射器
10.第三超声波反射器
11.锁销
12.流道***件
14.引导元件
15.第一换能器凹槽
16.第二换能器凹槽
17.倾斜底壁
18.换能器凹槽纵向轴线
19.流道纵向轴线
20.流管
21.第一管开口
22.第二管开口
23.显示器
24.第一弹性触头
25.第二弹性触头
26.金属层触头
27.显示器框架
28.第一连接部
29.第二连接部
30.第三连接部
31.第四连接部
32.仪表壳体主体
33.第一***件开口
34.第二***件开口
35.上表面
36.发射表面
37.第一管端开口
38.第二管端开口
39.锁销开口
40.反射表面
41.***所述第一和第二换能器凹槽
42.流体流动线
43.聚焦界面
44.超声波路径
45.***所述锁销

Claims (20)

1.一种超声波流量计(1)，包括
-仪表壳体(2)，
-限定了用于待测流体的内部流道(5)的流管(20)，和
-一个或多个超声波反射器(8，9，10)，
所述仪表壳体(2)包括
-第一换能器凹槽(15)，
-第二换能器凹槽(16)，
-位于所述第一换能器凹槽(15)内的第一超声波换能器(6)，
-位于所述第二换能器凹槽(16)内的第二超声波换能器(7)，和
-用于操作所述超声波流量计(1)的电子电路(4)，
其中，所述换能器凹槽(15，16)各自具有倾斜底壁(17)，并且
其中，所述第一和第二超声波换能器(6，7)分别抵接所述第一和第二换能器凹槽(15)的所述倾斜底壁(17)，
其中，所述第一超声波换能器(6)具有第一超声波传输表面(36)并且所述第二超声波换能器(7)具有第二超声波传输表面(36)，并且其中，所述第一和第二超声波传输表面(36)分别相对于所述第一和第二换能器凹槽(15、16)的纵向轴线(18)具有非正交的定向，
其中，所述超声波流量计(1)还包括流道***件(12)，所述流道***件(12)通过所述仪表壳体(2)相对于所述流管(20)固定，
其中，所述第一和第二换能器凹槽(15，16)延伸通过所述流管(20)中的第一和第二管开口(21，22)且延伸进入到所述流道(5)内。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计(1)，其中，所述超声波换能器(6，7)位于所述仪表壳体(2)的内部，并且其中，所述超声波换能器(6，7)中的至少一个构造成在所述超声波流量计(1)的操作期间发射超声波信号，所述超声波信号传播通过抵接所述至少一个超声波换能器(6，7)的所述倾斜底壁(17)，通过所述流道(5)中的所述流体，并且所述超声波信号由所述一个或多个超声波反射器(8，9，10)反射，然后传播通过抵接接收所述超声波信号的另一个超声波换能器(7，6)的所述倾斜底壁(17)。
3.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，各细长的换能器凹槽(15，16)的纵向轴线(18)正交于所述流道(5)的纵向轴线(19)。
4.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述超声波流量计(1)包括第一、第二和第三超声波反射器(8，9，10)。
5.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述壳体包括电池(3)。
6.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述一个或多个超声波反射器(8，9，10)由三个超声波反射器(8，9，10)组成。
7.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述壳体包括显示器(23)。
8.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述超声波换能器(6，7)具有面向所述第一和第二换能器凹槽(15，16)的底壁(17)的底面(36)，并且其中所述仪表壳体(2)包括与所述超声波换能器(6，7)的所述底面(36)电气接触并与所述电子电路(4)电气接触的金属层触头(26)。
9.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，每个所述超声波换能器(6，7)具有分别与第一和第二弹性触头(24，25)连接的上侧面(35)。
10.根据权利要求9所述的超声波流量计(1)，其中，所述弹性触头(24，25)是弯曲的金属条。
11.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述超声波换能器(6，7)是聚焦的。
12.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述一个或多个超声波反射器(8，9，10)固定在所述流道***件(12)中。
13.根据权利要求12所述的超声波流量计(1)，其中，所述流道***件(12)由两个镜像对称的半部组装而成，组装好的流道***件(12)在所述半部之间具有分隔表面，所述分隔表面从所述流管(20)的面向所述仪表壳体(2)的一侧延伸到所述流管(20)的相对侧。
14.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述流道***件(12)包括用于引导流体流的引导元件(14)。
15.根据权利要求14所述的超声波流量计(1)，其中，所述流道***件(12)的所述引导元件(14)适于压制超声波。
16.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述超声波反射器(8，9，10)中的一个或多个能聚焦。
17.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，第一和第三超声波反射器(8，10)的反射表面(40)定向成使得这些反射表面(40)相对于所述流道(5)的纵向轴线(19)成角度。
18.根据权利要求1或2所述的超声波流量计(1)，其中，所述仪表壳体(2)由一个或多个锁销(11)相对于所述流管(2)固定。
19.一种组装超声波流量计(1)的方法，
所述超声波流量计(1)包括
-仪表壳体(2)，
-限定了用于待测流体的内部流道(5)的流管(20)，和
-流道***件(12)，
所述流道***件(12)包括
-一个或多个超声波反射器(8，9，10)，和
-第一和第二***件开口(33，34)，
所述仪表壳体(2)包括
-第一换能器凹槽(15)，
-第二换能器凹槽(16)，
-位于所述第一换能器凹槽(15)内的第一超声波换能器(6)，
-位于所述第二换能器凹槽(16)内的第二超声波换能器(7)，和
-用于操作所述超声波流量计(1)的电子电路(4)，
其中，所述换能器凹槽(15，16)各自具有倾斜底壁(17)，并且
其中，所述第一和第二超声波换能器(6，7)分别抵接所述第一和第二换能器凹槽(15)的所述倾斜底壁(17)，
所述方法包括以下步骤
-将所述流道***件(12)***所述流道(5)中，
-将所述第一和第二换能器凹槽(15，16)穿过所述第一和第二管开口(21，22)而***(41)到所述第一和第二***件开口(33，34)中，以及
-将所述仪表壳体(2)固定(45)到所述流管(20)。
20.根据权利要求19所述的方法，该方法组装根据权利要求1至18中任一项所述的超声波流量计。
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