超声仪器

技术领域

本发明涉及一种超声测量装置，用于检测位于测量室内的介质的被测变量。

背景技术

用于检测被测变量的超声测量装置是现有技术。例如，WO 2008034878A2示出了一种超声测量装置，利用该超声测量装置，超声转换器在测量管壁中产生兰姆波，所述兰姆波导致将超声信号发射到填充有介质的测量管中。这些超声信号可以经由在测量管内壁处的一次或多次反射而被引向预期用于接收的超声转换器。但是，已经发现，除了超声信号在反射部位区域内在测量管壁处的反射之外，在外壁处还会出现另外的兰姆波或反射，这些另外的兰姆波或反射会以干扰的方式干扰超声信号，从而使得对超声信号的接收或对超声信号的评估变得更加困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声测量装置，利用该超声测量装置可以改善信号质量。

该目的通过根据独立权利要求1的超声测量装置来实现。

一种根据本发明的超声测量装置，用于检测位于测量室中的介质的被测变量，该超声测量装置包括：

测量室，该测量室具有测量室壁和测量室纵向轴线；

至少一对超声转换器，所述至少一对超声转换器被布置在测量室的第一测量室侧上，其中所述一对超声转换器被配置为穿过测量室的体积沿着超声信号路径在所述一对超声转换器之间传输超声信号，并且所述一对超声转换器被配置为接收超声信号，其中所述超声信号具有中心频率，

其中，穿过测量室的体积的超声信号路径包括在至少一个反射表面上的至少一次超声信号反射，其中在与第一测量室侧相对的测量室壁的内测量室表面上布置有反射表面，

其中，在与第一测量室侧相对的反射表面的区域中，测量室壁被配置为防止测量室壁的测量室外表面的超声信号在超声信号路径的方向上反射，

其中，在反射表面的区域中，测量室壁具有比测量室壁中的超声信号的与中心频率相关联的瑞利波长大至少1.5倍，特别是大至少2倍，优选大至少2.5倍的最大壁厚。

以这种方式，可以减少在所产生的超声信号的介质中由瑞利波对在反射表面处反射的超声信号的干扰影响。

在一个实施例中，至少一对超声转换器被布置在测量室的外侧上，

其中所述一对超声转换器被配置为借助于兰姆波或板波在过渡区域中向测量室壁中的瑞利波传输超声信号并且接收超声信号，其中超声转换器被配置为借助于至少一个转换器元件激发和/或检测在测量室壁的耦合区域中的兰姆波或板波。

在一个实施例中，在反射表面的区域中，测量室外表面具有至少一个凹陷，其中凹陷表面不平行于反射表面，

其中所述至少一个凹陷的整体具有至少对应于反射表面的宽度乘以因数F1的宽度，其中F1大于0.7，特别是大于0.8，并且优选大于0.9。

因此，进入测量管壁的超声波可以在除超声信号路径的方向以外的方向上偏转。

在一个实施例中，外表面具有多个凹陷，其中所述凹陷特别地相互平行地延伸。

在一个实施例中，第一组凹陷相互平行地延伸，并且第二组凹陷相互平行地延伸，其中第一组凹陷不平行于第二组凹陷，其中第一组的取向与第二组的取向成至少20°的角度。

在一个实施例中，至少一个凹陷至少部分地具有相对于中心频率的在测量管壁中的超声信号的至少一个波长的深度，

和/或其中两个相邻凹陷的偏移小于测量管壁中的超声信号的一个波长。

在一个实施例中，测量室壁或测量室壁的测量室壁表面至少部分地由超声信号吸收材料制成。

因此，由此可以减小在测量室外表面处反射之后在测量室的方向上连续的超声波的强度。

在一个实施例中，测量室壁具有室结构，其中该室结构通过使用不同的材料制成，其中第一材料的特征在于测量室壁，并且例如是塑料、金属或陶瓷，

并且其中至少一种第二材料是来自以下列表的材料：

气体，尤其是空气，塑料，金属，凝胶，泡沫，气凝胶，真空，具有例如中空玻璃球的复合物、或者重金属粉末或重金属氧化物粉末。

在一个实施例中，测量室壁具有被布置在反射表面的区域中的表面上或者被嵌入在测量室壁中的非谐振结构，

该非谐振结构被配置为阻止在第一反射表面的区域中生成瑞利波。

在一个实施例中，非谐振结构包括在测量室纵向轴线方向上周期性地或准周期性地在空间上变化的声阻抗。

在一个实施例中，通过使用不同的材料来产生变化的声阻抗，其中第一材料的特征在于测量室壁，并且例如是塑料、金属或陶瓷，

并且其中至少一种第二材料是来自以下列表的材料：

气体，尤其是空气，塑料，金属，凝胶，泡沫，气凝胶，真空，具有例如中空玻璃球的复合物、或者重金属粉末或重金属氧化物粉末。

在一个实施例中，所述至少一个转换器元件是压电元件，其机械地连接到测量室，

或者其中超声转换器具有耦合元件，该耦合元件具有第一侧和第二侧，该第一侧背离测量室，该第二侧面向测量室，其中至少一个转换器元件被布置在耦合元件的第一侧上，并且其中耦合元件借助于第二侧与测量室机械连接，

或其中转换器元件包括线圈装置，其中在耦合区域中，测量室包括或承载磁致伸缩材料，其中该线圈装置被配置为借助于磁致伸缩材料产生和/或检测测量室壁的偏转。

在一个实施例中，压电元件或耦合元件或磁致伸缩材料借助于胶合、钎焊或焊接连接或经由可释放连接而连接到测量室。

在一个实施例中，可以经由容纳介质的容器中的开口以介质密封的方式将测量室插入到容纳介质的容器中，

或者测量室是测量管。

在一个实施例中，超声测量装置被配置为测量以下介质特性中的至少一项：

体积流量、质量流量、密度、粘度、声阻尼、声速、至少一种介质组分的浓度、声频散和根据这些项导出的被测变量。

附图说明

现在将参考示例性实施例描述本发明。

图1示出了根据本发明的具有测量管的示例性超声测量装置；

图2示出了根据本发明的具有测量管的示例性超声测量装置；

图3a)至图3c)示出了根据本发明的示例性测量室的根据本发明的横截面；

图4a)示意性示出了在反射表面的区域中的测量室的根据本发明的示例性外轮廓；

图5示出了根据本发明的示例性超声测量装置，其具有可以插入到容器中的测量室；

图6a)至图6c)示出了不同的超声转换器；

图7a)至图7c)示出了各个超声转换器布置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的超声测量装置1的测量室10的纵向截面，其中超声测量装置1被设计为具有测量管10.1的测量室10，具有一对超声转换器21、22和电子测量/操作电路77，所述一对超声转换器被安装在第一测量室侧13.1上的测量室壁11的测量室壁表面11.1上，该电子测量/操作电路77被配置为使超声转换器操作并且对借助于超声转换器产生的测量信号进行评估，并且被配置为提供被测变量的测量值。测量室被配置为容纳或引导介质。

超声转换器被配置为穿过测量室14的体积沿超声信号路径19在一对超声转换器之间传输超声信号，并且超声转换器被配置为接收超声信号，其中所述超声信号具有中心频率，其中所述超声信号路径在反射表面15.1处具有至少一次反射，该反射表面15.1被布置在测量室的与第一测量室侧相对的一侧上。

一对超声转换器21、22被配置为例如借助于过渡区域中的兰姆波或板波向测量室壁中的瑞利波传输超声信号并且接收超声信号，其中超声转换器被配置为借助于至少一个转换器元件23(见图4)激发和/或检测测量室壁的耦合区域16中的兰姆波或板波。替代地，也可以将超声转换器集成到测量室壁中并且与介质相接触。

超声信号在边界表面处的反射通常导致超声从第一介质到第二介质的部分耦合，使得超声信号的一部分从测量室内部的介质进入测量室壁。如果测量室在反射表面的区域中的壁厚大于测量室壁中属于超声信号分量的瑞利波长，则将超声信号分量耦合到测量室壁中会导致在反射表面15.1的区域中在测量室壁11中的兰姆波与瑞利波之间的过渡区域中形成瑞利波或板波。这些形成的瑞利波或板波又将超声耦合到测量管中，这会暂时地和/或在空间上使该超声与沿超声信号路径19传播的超声信号干扰。这会使得更加难以评估沿着超声信号路径19传播的超声信号。此外，超声耦合到测量室壁中导致超声信号在测量室体积中的能量损失。

此外，将超声信号分量耦合到测量室壁中导致超声在测量室壁的外侧处反射，使得反射的超声可以穿透到测量室的体积中。

根据本发明，测量室在反射表面的区域中被配置为阻止瑞利波的激发。这可以借助于如图1所示的非谐振结构17来实现。该非谐振结构位于测量管的外侧上，但是也可以集成在测量室壁中。非谐振结构在测量室纵向轴线12的方向上具有空间变化的声阻抗的周期性或准周期性序列，其中变化的声阻抗通过使用不同的材料产生，其中第一材料的特征在于测量室壁11并且例如是塑料、金属或陶瓷，并且其中至少一种第二材料是来自以下列表的材料：气体，尤其是空气，塑料，金属，凝胶，泡沫，气凝胶，真空，具有例如中空玻璃球的复合物、或者重金属粉末或重金属氧化物粉末。在空间上变化的声阻抗的空间周期性p适合于所采用的超声信号，使得在非谐振结构的边缘处反射的超声波产生相消干涉，因此使超声再次耦合到测量室中变得更加困难。非谐振结构可以被浇铸或封装在测量管出口侧上。

此外，将超声信号分量耦合到测量室壁中导致超声在测量室壁的外侧处反射，使得反射的超声可以穿透回到测量室的体积中并且在该位置处可以暂时地和/或空间上与沿超声信号路径19传播的超声信号干扰。

图2示出了根据本发明的超声测量装置1的测量室的纵向截面，其中被配置为测量管10.1的测量室在测量室壁的外侧上在反射表面15.1的区域中具有室结构18，其中该室结构通过使用不同的材料制成，其中第一材料的特征在于测量室壁，并且例如是塑料或金属或陶瓷，并且至少一种第二材料是来自以下列表的材料：气体，尤其是空气，塑料，金属，凝胶，泡沫，气凝胶，真空，具有例如中空玻璃球的复合物、或者重金属粉末或重金属氧化物粉末。第二材料被配置为吸收测量室壁中的超声，使得不可能再次耦合到测量室或测量管的体积中。代替室结构，也可以将吸收材料均匀地施加在室的外部。替代地，室结构也可以对外部封闭。

图3a)至图3c)示意性地示出了根据本发明的示例性测量室横截面，其替代地或附加地被配置为图1所示的非谐振结构。在反射区域中，测量室壁表面11.1具有平行于测量室纵向轴线的至少一个凹陷30，该至少一个凹陷30具有凹陷表面30.3，所述凹陷横向地反射进入测量室壁的超声。以这种方式，可以至少减轻与沿着超声信号路径传播的超声信号的干扰相互作用。该至少一个凹陷的整体30.1具有宽度30.2，在测量室横截面中，该宽度至少对应于反射表面的宽度乘以因数F1，其中F1大于0.7，特别是大于0.8，优选大于0.9。这可以防止超声朝超声转换器21、22反射。

图4a)和图4b)示意性地示出了至少部分地借助于凹陷在反射表面的区域中构造测量室壁表面的根据本发明的另一示例性可能性，其中第一组凹陷31相互平行地延伸，并且第二组凹陷32相互平行地延伸，其中第一组中的凹陷与第二组中的凹陷不平行，其中第一组的取向与第二组的取向成至少20°的角度。第一组的相邻凹陷或第二组的相邻凹陷之间的偏移30.4小于要在测量室壁中使用的超声的横向波长，并且特别地小于该横向波长的一半。凹陷的高度h(参见图4b)优选地是要在测量室壁中使用的超声的横向波长的至少一半。凹陷可以填充有例如以声学阻尼方式起作用的材料。图4b)中所示的高度轮廓例如沿箭头的方向延伸。该至少一个凹陷的整体30.1具有宽度30.2，在测量室横截面中，该宽度至少对应于反射表面的宽度乘以因数F1，其中F1大于0.7，特别是大于0.8，优选大于0.9。这可以防止超声朝超声转换器21、22反射。

接触根据图4a)和图4b)的凹陷的超声会经历不断变化的声指数，因此在凹陷处反射的超声会被暂时冲走并且移至较低的频率。结果，沿着超声信号路径的超声将不再干扰正在传播的超声信号。

图5a)和图5b)示出了根据本发明的超声测量装置1的测量室的截面，其中与图1和图2相比，该测量室不是被设计为测量管，而是被设计为可以插入到容器B中的测量插入物。等同于图1和图2所示的实施例，计量室包围测量室体积，并且如此处所示，计量室可以具有两个敞开的侧面，介质可以通过该两个敞开的侧面进入或离开测量室。替代地，也可以考虑具有仅一个敞开侧的测量室。根据本发明，测量室在反射表面的区域中借助于非谐振结构17加以配置，以便阻止在至瑞利波的过渡区域中的瑞利波和/或板波的激发。参照图1至图4公开的陈述也适用于图5。特别地，在反射表面的区域中，替代或除了非谐振结构17之外，测量室外壁11.1可以具有根据图3a)至图3c)以及图4a)和图4b)的凹陷和/或灌注部(potting)。

图6a)、图6b)和图6c)示出了可用于根据本发明的超声测量装置的各种超声转换器，其中所示的超声转换器不是穷举的。

图6a)示出了超声转换器的侧视图，该超声转换器包括转换器元件23.1，特别是压电元件23.1和耦合元件24，该耦合元件具有第一侧面24.1和背离该第一侧面的第二侧面24.2。转换器元件被布置在耦合元件的第一侧上，其中耦合元件借助于第二侧声学地且机械地耦合到测量室壁上。

图6b)示出了超声转换器，利用该超声转换器将转换器元件23，特别是压电元件或磁致伸缩材料25.2施加到测量室壁上。替代地，测量室壁可以至少部分地是压电的或磁致伸缩的。

可以通过施加电压脉冲来迫使压电元件改变伸长率，或者可以通过机械/声致伸长率改变来迫使压电元件产生电压脉冲。因此，压电元件适合于产生和检测超声信号。

所述至少一个压电元件也可以是叉指式换能器的组件。

图6c)示出了基于磁致伸缩的超声转换器的侧视图。线圈装置25.1被配置为借助于电场使根据图6b)的磁致伸缩材料移动，和/或线圈装置25.1被配置为检测磁致伸缩材料的移动。因此，基于磁致伸缩的超声转换器适用于产生和检测超声信号。

耦合元件、压电元件或磁致伸缩材料可以例如通过挤压而可释放地且机械地连接至测量室壁，或者例如通过胶合、钎焊或焊接而牢固地连接。

图7a)、图7b)和图7c)示出了在第一测量室侧13上包括超声转换器21、22的超声转换器对的布置可能性的各种视图。

图7a)示出了超声转换器对的布置。沿着超声信号路径在超声转换器之间传输的超声信号可以例如在一个平面中运行。如果第一测量室侧13.1在超声转换器的区域中与反射表面一起是平坦的，则该平面可以平行于并且偏移或倾斜于测量室轴线12延伸。

图7b)示出了两个超声转换器对的布置，该两个超声转换器对与测量管轴线平行地传送超声信号。在这种情况下，第一测量室侧13.1在超声转换器和反射表面的区域中需要是平坦的。

图7c)示出了两个超声转换器对的布置，这两个超声转换器对与测量管轴线倾斜地传送超声信号。在这种情况下，第一测量室侧13.1在超声转换器的区域中需要是平坦的。反射表面可以是平坦的或弯曲的。

参考标记

1 超声测量装置

10 测量室

10.1 测量管

11 测量室壁

11.1 测量室外表面

12 测量室纵向轴线

13.1 第一测量室侧

14 测量室的体积

15 测量室内表面

15.1 反射表面

16 耦合区域

17 非谐振结构

18 室结构

19 超声信号路径

21、22 超声转换器

23 换能器元件

23.1 压电元件

24 耦合元件

24.1 耦合元件的第一侧

24.2 耦合元件的第二侧

25.1 线圈装置

25.2 磁致伸缩材料

30 凹陷

30.1 凹陷的整体

30.2 整体的宽度

30.3 凹陷的表面

30.4 偏移

31 第一组凹陷

32 第二组凹陷

77 电子测量/操作电路

B 容器

h 高度

p 周期性