CN1101928C

CN1101928C - 夹持式超声波流量计

Info

Publication number: CN1101928C
Application number: CN99110632A
Authority: CN
Inventors: 海涅里奇·哈根迈尔; 彼得·施瓦岑贝格; 蒂埃里·莫泽; 迈克尔·冯阿尔克斯; 沃尔特·坎伯; 谢尔盖·洛帕京
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2003-02-19
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: CN1250152A; JP2000046607A; JP3043758B2

Abstract

本发明涉及夹持式超声波流量计，包括两个彼此相间设置的传感器组件，该传感器由条带固定在传导被测流体的管子上。条带包括一个托座；传感器***件，该***件具有一个超声波转换器；一个传感器罩，其包括一个用于将传感器***件压向管子的弹簧和一个条带紧固装置。

Description

夹持式超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种夹持式超声波流量计。

背景技术

这种超声波流量计，众所周之，连接到一根管子的外部，特别是一根已经永久安装在一管路***内的管子，不需要对这根管做任何修改，例如，在上面做一个孔。它们也不需要专门配备测量管。而基于其它测量原理的流量计，诸如涡流流量计，电磁流量计，或科里奥利惯性流量计，必须要专门配备测量管。

美国专利3,869,915阐述了一种带有由二个传感器组成的一个传感器组件的超声波流量计，这两个传感器被按放在沿着一根管子的一条直表面线上，这根管子传导要测量的流体，并且靠第一和第二个条带分别将这两个传感器与管子连接。

在美国专利4,738,737的一个图中，但不是在有关的阐述中，显露出由一个第一传感器组件和一个第二传感器装配组成的超声波流量计：

第一个传感器用第一和第二个条带连接到一根管子表面的第一条直线上，第二个传感器用第三和第四个条带连接到距第一个传感器给定距离并在管子表面与第一条直线恰好相对的第二条直线上。

这两个传感器组件结构相同。

最后提到的美国专利没有阐述这两个传感器组件，如果它们位于管子表面相对的直线上，怎样遵守互相同直线，或怎样沿着管子表面一条直线彼此相距一定距离定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的由两个传感器组件组成的超声波流量计，它适用于不同公称直径的管子，并可以放在或者沿着管子表面一条直线或者沿着管子表面恰好相对的两条直线上。

此外，本超声波流量计的设计包含可更换部件，在出现故障的情况下，仅需更换失效的部件。

为实现上述目的，根据本发明提供一种由一个第一传感器组件和一个第二传感器组件组成的超声波流量计：

这两个传感器组件相互位于一给定的距离，

或者沿着一根传导要测量的流体的管子表面的一条直线，

或者分别沿着这根管子表面的第一条直线并且与管子表面恰好相对的第二条直线上，并且

分别用一个第一条带和第二条带连接，并且

它们结构相同并且每一个包括：

一个邻接管子的平面托座，托座上有一条纵向中心线和与托座成一整体的一个管形部分；

一个在管形部分里被纵向导向的传感器***件，其中包含一个带有一个转换器元件的超声波转换器；

一个盖在管形部分上的传感器罩，它靠一个通过旋转可释放的快速扣紧件连接到管形部分上，而其中的一个弹簧对着管子给传感器***件加力；并且

一个条带紧固装置，其安装在托座上大约纵向中心轴线的中间并有一轴线。

在本发明的第一优选实施例中，传感器***件端部位于一根电缆管内，而传感器罩可被旋转地安装在电缆管上。

在本发明的第二优选实施例中，它也可以用第一优选实施例，条带紧固装置包括：

一个螺旋弹簧；

一个弹簧外壳，靠一个有中心孔的螺纹颈沿着它的纵向中心轴线固定在平面托座上；

一个紧固件，它有一个作为条带工作时通过它的一个导向端，和一个设计为一个螺纹杆的另一端；并且

一个可以在弹簧外壳内旋转的螺母，它被拧在螺旋柱上来固定条带。

在本发明的第三优选实施例中，它也可以用第一或第二优选实施例，至少一个由一个空心线圈组成的串联电路，及至少一个电阻被布置在靠近超声波转换器传感器***件内，并与转换器元件并联连接。

本发明的一个重要优点是它提供了一个满足所有安装，调整和维修的夹持式超声波流量计。

附图说明

从下面的对优选实施例的描述中，结合附图，将使本发明更为清楚：

图1是一个夹持式超声波流量计的第一种形式的透视图，它带有传感器组件，安装在一根管子上，并沿这根管子表面的一条直线；

图2是一个夹持式超声波流量计的第二种形式的透视图，它带有传感器组件，安装在一根管子上，并沿这根管子表面的恰好相对的两条直线；

图3是一个紧固件的透视图作为在本发明中使用的构成条带紧固装置的一部分；

图4是一个显示传感器组件结构的剖切透视图，构成本发明的一部分；

图5是沿图4传感器组件一个优选实施例的托座的一条中心线所取的纵向剖面；

图6是一个通过图5的C-C线取的剖面；

图7是一个沿着图4中传感器组件的另一个优选实施例的托座的一条中心线所取的纵向剖面；

图8是一个通过图7的C-C线取的剖面；

图9是作为在本发明中使用的一个超声波转换器的外观视图；

图10是图9中的超声波转换器以箭头A方向观察的透视图；

图11是图9和图10的超声波转换器，通过图10中B-B线取的一个剖面的一个透视图；

图12是一个第一级安装用辅助件的顶部观察透视图，用来精确地调整在图2中所示的一个夹持式超声波流量计；

图13是图12中部件细节的一个从底部观察的透视图；

图14是一个第二级安装用辅助件的顶部观察透视图，用来精确地调整图2中所示的一个夹持式超声波流量计；并且

图15是图14中部件细节的一个从底部观察的透视图。

具体实施方式

图1是一个夹持式超声波流量计10的第一种形式的透视图。夹持式超声波流量计10已经被安装到一根管子1上，这根管子中流动着要测量其流动速度和/或容积流动比率的一股流体。这股流体是一种液体，一种气体，或一种蒸汽；流体中也可能含有固体。

本夹持式流量计10由一个第一级传感器组件2和一个第二级传感器组件3组成。它们被安装在沿着管子1表面上的一条直线11上，靠抱固在管子上的第一和第二个条带4和5分别保证彼此相距一定距离，并且相互镜相对称。这两个传感器组件2和3分别有一个第一托座6和第二托座7。

每个条带4、5配有一个分开的可释放的卡子，其位于管子1的背后，因此在图中没表示出来。用这些卡子，条带4、5，以及在其上的传感器组件2、3被预安装到管子1上，这样，条带在管子1的轴线方向仍然是可移动的。

图1还表示出一个安装用辅助件，用来对两个传感器组件2、3定位，使其互相有一个最佳距离。凭借第一和第二盖板83、84，可以将一个带有第一和第二排孔81、82的穿孔的条8，暂时或永久地安装在两个传感器组件2，3的边上。

一个第一螺栓85伸进第一排孔81的一个孔中，一个第二螺栓86伸进第二排孔82的一个孔中。由于第一排孔81的节距与第二排孔82的节距不同，例如，第一排孔81有9孔节距，而第二排孔82有10孔节距，这使得通过相对盖板83、84移动穿孔的条81来对传感器组件2、3之间的距离进行非常精确的调整成为可能，因此也可将一个传感器组件相对另一个进行调整。

图2是一个夹持式超声波流量计10’的第二种形式的透视图。夹持式超声波流量计已经被安装到一根管子1’上。它由传感组件2’、3’组成，安装固定在沿管子1’的表面恰好相对的两条直线上，与图1的布置方式相比较，管子1’的直径实际上大于管子1的直径。因此，虽然各个传感器组件是相同的，但传感器组件2’、3’显得比图1中的传感器组件2、3小。

传感器组件2’和3’是靠条带4’和5’分别安装的，如图1在连接部分中的描述。

图3是一个具有一个第一端板751的紧固件的透视图。后者有一个长孔752，与条带4、4’的横剖面相对应，通过它作为条带工作运行中导向。紧固件75还有一个螺纹杆753，其相当于一个第二端。

在图4中，用一个透视的剖切图表示构成发明部分的传感器组件2、2’；3、3’的结构。图5是沿托座的一条中心线取的一个剖面图，而图6是沿图5的C-C线取的一个剖面。图4到图6将因此被一起得到解释说明。

邻接管子的托座6有一个中心的纵向轴线611并在那儿有一个与托座成为一个整体的管形部分62。在远离管形部分62的一端，托座6位于在管子1、1’上。为了使其有两个点与管子接触，端部61不是平面，而是形成一微小的角度。

在管形部分62里，传感器***件63靠一个突出物634在一个槽633里纵向导向，在一个弹簧66，特别是一个螺旋弹簧的作用下，可以来回移动。传感器***件63有一个垂直轴线630，包含一个超声波转换器64，在被条带扎紧的情况下，如图1和2所示，由弹簧66将超声波转换器对着管子1、1’加压。

一个传感器盖65已经被放在管形部分62上，并且靠一个通过旋转可释放的快速扣紧件67连接到管形部分62上。为连接电缆632，传感器***件63的端部最好在一个电缆管631里。传感器盖是被旋转安装在电缆管上面的。由于美学原因，在传感器盖沿圆周上做成了均匀分布的压痕651。

在图4中，快速扣紧件67的凹坑671，在图4和6中的，快速扣紧件67的叶片弹簧都可以看得见。将传感器盖朝着管子1向下压然后旋转它，可以将这个盖从管形部分62上卸下来，则可看得见够得着超声波转换器64，如果必要，可以更换它。

安置在托座6的大约纵向中心线611的中点处是一个用作紧固条带4的一个装置70，它在图5中显示出，但在图4和6中不可见。这个紧固装置70有一个轴线701，并且由一个螺旋弹簧71组成，弹簧被容纳在一个弹簧外壳72内。后者靠带有中心孔73的一个螺纹颈74固定在托座6中并位于纵向中心线611上。

紧固装置70还有一个六方或四方头761的螺母，它在弹簧外壳72内可以旋转，并且旋在图3的螺栓753上，从而紧固条带4、4’或5、5’。螺母76和螺旋弹簧71被完善地握持在弹簧外壳72内，不脱开散落。

如图5和7中所示的，可以取得上述效果，例如，将螺母在弹簧外壳内部的一端处做成一个台肩762，并且在螺旋弹簧71和螺母76被***弹簧外壳后，将弹簧外壳相对螺母76的一端721向内卷成法兰缘。

靠转动在螺栓753上的螺母76，预紧的条带4、4’或5、5’最终被紧固，并且由于螺旋弹簧71的作用，接头受一个常定的机械预张力。用这种方法，可以完全补偿在使用中可能发生的由温度导致的条带长度的变化而造成的影响，因此条带不会松动。

在图5和7中，还有图1中，可以看到在托座6的端部61，提供了一个螺钉夹子端头它被用作连接接地线或保护性导体。

在图9到11中，以不同视图表示在本发明中使用的超声波转换器的结构。在图9的侧视图中，可以看到超声波转换器的一个基底。这个基底具有圆柱的形状，并且是用诸如一种高温热塑材料做成的，如聚醚(polyetherimide)(PEI)，即市场上有的商业名“Ultem1000”。

基底641做成一个环形槽642，用来放一个O形圈646，这只能在图5和图6中看得到。此外，基底641有一个平的支承表面643，在条带夹紧的情况下，它压在管1、1’上面。

图10是一个在图9中的超声波转换器以箭头A方向看去的透视图，图11是沿着图10的B-B线取的一个透视剖面。

一个转换器元件644被粘结到带有一个金属圆盘645的***物的基底上。这个转换器元件644做成圆盘形，并由陶瓷压电材料制成，象PZT-5标准软陶瓷。这个金属圆盘645有一个在基底641和转换器元件644之间的热胀系数。

金属圆盘645的厚度必须不超过在金属圆盘645中的超声波长的四分之一。后者最好是纯铝的，但它也可以是诸如钛、高级钢、黄铜或铅。

特别适合的粘合剂是环氧树脂粘合剂，它们具有一个高于超声波转换器64的允许工作温度的玻璃转变温度，这样的粘合剂可以得到，例如，从西巴-盖吉(Ciba-Geigy)巴塞尔(Basel)，瑞士牌号AV8和AV118之内的产品。转换器元件644和金属圆盘645紧固在倾斜于支承表面643的一个平面647中的基底641上。这个平面647确定了一个有角度的孔648的底表面。

金属圆盘645被设计成靠分布大约120°的三个爪6451、6452、6453相对于有角度的孔648自定心。金属圆盘645被设计成靠分别与三个爪6451、6452、6453分开的，分布也是大约120°的三个凸缘与转换器元件644对中。这三个凸缘向金属圆盘645的平面外弯。

金属圆盘允许超声波转换器64和整个夹持式流量计10，10’在一个宽的温度范围内使用，在循环温度应力下，转换器元件和基底之间的接合处不破坏。

这在夹持式流量计的情况下特别重要，由于在管子1、1’里流动的流体温度变化可能非常大。

金属圆盘还允许超声波转换器比没有这样的一个金属圆盘的超声波转换器在一个更宽的带宽下工作。此外，这个金属圆盘改善了在转换器元件和基底之间的声学匹配。

在这一点上，应该将图5到图8加上进一步的细节。图5、6和图7、8显示出两个不同的优选实施例。连接电缆632在传感器内套63内部终结，传感器内套63在一个插头635里，插头***进一个插座内。插座被安装在一个小印刷电路板636上，其导引线与转换器元件644焊接。在图5和图6中示出的优选实施例中，印刷电路板636不包括更多的部件。

在图7和图8中示出的优选实施例中，印刷电路板636包括一个串联电路，这个电路由一个空心线圈637和电路638组成，并与转换器元件644并联连接。可以提供几个这样的电路。用这样一个串联电路或这样几个串联电路，有可能用一个令人吃惊的简单方式来满足防爆标准。

图12和图14分别示出用作精确调整图2的夹持式流量计的一个第一安装辅助件9和一个第二安装辅助件9’的顶部透视图。图13和图15表示底部局部透视图。凭借安装辅助件9、9’，可以沿着管子的表面两条直线11’、11”精确地安装图2的传感器组件2’、3’，也就是，正好180°相互分开，并且固定在这180°位置上。

用两根优选的不可拉伸的线绳，例如，细金属线绳，参照如下的一个第一绳段91和一个第二绳段91’来做。它们之中的第一绳段91如图12所示，而第二绳段91’如图14中所示。

图12中的绳段91的一个第一端92被永久固定，即焊接或加压安装在一个第一绳眼93内，绳眼93的孔931的直径略大于图3的螺纹杆753直径，以便通过施加微小压力就能将绳眼滑动套装到螺纹杆753上，并且轻微地拉，就能将其从那儿拆下来。

绳段91’的一个第二端94’可以被临时固定在一个第二绳眼95’里；这样在这两个绳眼93’、95’之间的绳段91’的长度可以调节。

绳眼95’由一个基板950’构成，它的一端具有一个带一个孔954’的小孔953’。这个小孔953’比基板950’厚。孔954’的直径略大于图3的螺纹杆753的直径，以便通过施加微小压力就能将绳眼95’滑动套装到螺纹杆上，并且轻微地拉，就能将其从那儿拆下来。

绳91’的端部94’可以用卡块951’来固定，卡块靠将一个螺钉952拧进基板950’来向下压住。卡块951’在螺钉952’的头下面。

在将图2的传感器组件2’、3’相互调整位置并固定在一个给定公称直径的管子上以前，每根绳段91、91’的长度即从绳眼93、93’的孔931、931’的轴线到线绳眼95、95’的孔954、954’的轴线长度用下面公式计算：

L＝(U²/4+A²)^1/2

这里：

U＝管子1’的周长；

A＝传感器组件2’、3’的两个条带固定装置70的轴线701之间的距离。

对于本发明来说，假设距离A的精确值已经在具体应用中确定了，这样就是已知的了。距离A是与一系列参数相关的，主要是管子1’的直径，管子的壁厚，被测流体类型，流体的温度等等。

这些参数从一开始就是已知的，或是可测得的/可确定的，例如将这些参数输入到一个微处理器，就可以计算出一个具体的应用的距离A的值。例如可以用惯用的超声波测量技术确定管子1的壁厚和流体类型。相应的测量可以构成夹持式流量计10、10’的部件。

当具体的长度值L被计算出以后，将两绳段91、91’中的每一个都调整到这个值，用螺钉952、952’和卡块951、951’，将其端部94、94’夹在基板950、950’上。

下一步，用条带4’将紧固件75之一，即属于传感器组件2’的紧固件预捆到管子1’上，并固定位置，如上所述。将线绳段91的绳眼95，然后是线绳91’的绳眼95’，从相对的螺纹杆753上面滑落套装到这个紧固件的螺栓的底端。

然后，用条带5’将属于传感器组件3’的另一个紧固件预捆在管子1’上。先将绳段91，绳眼95，然后将绳段91’，绳眼95’从相对的螺纹杆753上面滑落套装到这个紧固件的螺栓的底端。

当连接这两个绳段91、91’时，必须注意保证一个绳段从一个螺纹杆绕管子1’一圈到这管子一个边上的另一个螺纹杆，而另一个绳段在另一边。

下一步，将条带5’以管子1’的轴线方向并同时以这管子的圆周方向移动，直到这两个线绳段91、91’被固定。在那种情况下，这两个传感器组件2’、3’是在正确的相对位置，并严格分开成180°。

此后，将条带4’、5’最终固紧，并通过拧紧螺钉76将传感器组件2’、3’栓在此位置，最后用条带捆扎紧。于是，两个螺钉952、952’及卡块951、951’被松开，以便能将两个绳段91、91’从绳眼95、95’分离开。最终从相应的螺纹杆上移去绳眼93、93’，95、95’。

Claims

1.一种夹持式超声波流量计，由一个第一传感器组件和一个第二传感器组件组成，这两传感器组件彼此在一给定的距离上定位；两者或者都沿着传导被测流体的一根管子表面的一条直线；或者两者分别沿着这根管子表面上径向相对的第一条直线和第二条直线，并且分别用第一条带和第二条带将它们固紧，其特征在于，两个传感器组件在结构上是相同的，每一个的组成为：一个邻接该管子的平板托座，在该平板托座上有一条纵向中心线和一个与之成为一整体的管形部分；一个在管形部分中被纵向导向的传感器***件，该***件包含一个带有一个转换器元件的超声波转换器；一个套在该管形部分上的传感器罩，靠旋转可释放的一个快速扣紧件将其扣紧到管形件上，还包含一个将传感器***件压向管子的弹簧；并且一个条带紧固装置被安装在托座里在它的纵向中心轴线的中间并且有一个轴线。

2.如权利要求1所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，传感器***件上端在一个电缆管里，而传感器罩被可旋转地安装在电缆管上。

3.如权利要求1所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，条带紧固装置的组成为：

一个螺旋弹簧；

一个弹簧外壳，靠其上带有中心孔的一个螺纹颈将其在托架的纵向中心轴线上安装在托架上；

一个紧固件，其上有一个作为条带导向块的第一端，条带工作时穿过这个导向块，和一个设计成为螺栓的第二端；并且

一个在弹簧外壳里可旋转的螺母，它被拧在螺栓上用来固定条带。

4.如权利要求2所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，条带紧固装置的组成为：

一个螺旋弹簧；

一个弹簧外壳，靠其上带有中心孔的一个螺纹颈将其在托架的中心轴线上安装在托架上；

一个在弹簧外壳体里可旋转的螺母，它被拧在螺栓上用来固定条带。

5.如权利要求1所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，至少一个由一个空心线圈组成的串联电路，至少一个电阻布置在靠近超声波转换器的传感器***件之内，并与转换器元件并联连接。

6.如权利要求2所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，至少一个由一个空心线圈组成的串联电路，至少一个电阻布置在靠近超声波转换器的传感器***件之内，并与转换器元件并联连接。

7.如权利要求3所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，至少一个由一个空心线圈组成的串联电路，至少一个电阻布置在靠近超声波转换器的传感器***件之内，并与转换器元件并联连接。

8.如权利要求4所述的夹持式超声波流量计，其特征在于，至少一个由一个空心线圈组成的串联电路，至少一个电阻布置在靠近超声波转换器的传感器***件之内，并与转换器元件并联连接。