專利名稱：超聲流量計的測量頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲流量計的耦合元件。
超聲流量計通常用于處理技術(shù)或自動控制技術(shù)中。使用它們能夠以簡單的形式對管道中的容積流量進行無接觸測量。
已知的超聲流量計根據(jù)多普勒原理或傳播時間差原理來運行。
在傳播時間差原理中，相對于液體的流動方向來估計超聲脈沖的不同傳播時間。
超聲脈沖同時在流動方向和流動的相反方向傳播。根據(jù)傳播時間差可以確定出流速，然后根據(jù)已知的管道截面直徑可以確定出容積流量。
在多普勒原理中，具有已知頻率的超聲波與液體耦合在一起，并且評估從液體反射回來的超聲波。利用耦合波和反射波之間的頻移可以同樣得到液體的流速。
但是只有在液體中存在小空氣泡或雜質(zhì)時才能在液體中發(fā)生反射，所以只有在含雜質(zhì)的液體中才能使用這個原理。
在測量頭中產(chǎn)生并且接收超聲波。特殊的測量頭固定在管道想要測量部分的壁上。最近已經(jīng)可以使用夾卡式超聲測量系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，只是通過一個夾卡件將測量頭壓緊在管壁上。在諸如EP-B686,255、美國專利4,484,478和4,598,593中對這樣的系統(tǒng)有描述。
測量頭的基本元件是測量頭外殼、具有連接單元的壓電元件和由塑料制成的超聲耦合元件。在壓電元件中產(chǎn)生的超聲波通過超聲耦合元件被引導(dǎo)進入管壁。它們從管壁再傳導(dǎo)進入液體。
在已知的測量頭中，超聲耦合元件都略微伸出測量頭外殼，從而只有超聲耦合元件接觸測量管道。由于超聲耦合元件具有較低的熱傳導(dǎo)率，只可能有少部分熱量從管壁傳導(dǎo)到測量頭。所以測量頭中的溫度梯度會增加，而溫度梯度對測量精度有負面影響。
已知的測量頭還有另外一個缺點，即測量頭外殼和超聲耦合元件是粘結(jié)在一起的。這樣在制造測量頭外殼時只允許非常小的公差。因此具有更大公差的鑄件則需要較昂貴的精加工操作。
本發(fā)明的一個目的是提供一種超聲流量計的測量頭，這種測量頭沒有上述的缺點，能夠在測量頭中快速形成均勻的溫度分布，并且在制造測量頭外殼時允許制造公差，從而能夠以適宜的成本簡單地制造它。
本發(fā)明的目的通過具有下述特征的超聲流量計測量頭來實現(xiàn)，流量計的測量頭具有部分敞開的測量頭外殼，外殼中固定著具有壓電元件和連接單元的超聲耦合元件，其特征在于將超聲耦合元件和測量頭外殼鑄在一起或密閉在一起并且將它們和鑄材或填充材料一起形成了接觸面，其中在接觸表面區(qū)域的測量頭外殼和超聲耦合元件之間的間隔至少為1mm。
本發(fā)明最本質(zhì)的地方是將它們鑄造在一起能夠補償測量頭外殼的制造公差，以及通過把測量頭的整個接觸表面同時放在測量管道上能夠達到有效的熱平衡。
為了簡單，接觸表面是平的。
在本發(fā)明的進一步發(fā)展中，為了節(jié)約成本，測量頭外殼不完全充滿鑄材。
為了利用鑄材實現(xiàn)耦合元件在測量頭外殼中的可靠固定，在測量頭外殼上設(shè)有固定元件(如凸耳或凹槽)。
為了實現(xiàn)快速的熱平衡，鑄材具有＞1W/mK的熱傳導(dǎo)率是有益的。
現(xiàn)在將根據(jù)附圖更詳細地解釋本發(fā)明，其中附圖包括

圖1是具有兩個測量頭的超聲流量計的示意圖；圖2是圖1測量頭的橫截面視圖。
圖1以非常簡化的形式示出了具有兩個測量頭2、3的超聲流量計，這兩個流量計放置在管道1的外壁上，并且在平行于軸線的方向上它們彼此分開。液體在箭頭F的方向上在管道1內(nèi)流動。
可以用兩種不同的方法驅(qū)動這對測量頭2、3。一種方法是測量頭2作為發(fā)射器而測量頭3作為接收器，另一種方法是測量頭3作為發(fā)射器而測量頭2作為接收器，這樣就可以在流動方向和與流動方向相反的方向上交替進行測量。
兩個測量頭2、3分別通過連接線23、33連接測量電路100。兩條連接線22、23攜帶電脈沖。適宜的測量電路100是已知的，測量電路不是本發(fā)明的主題。
圖2以大致按比例的形式示出了圖1測量頭的橫截面視圖。測量頭2、3最本質(zhì)的元件是測量頭外殼10、具有連接單元30的壓電元件20和塑料(如PEEK、PI、PEI等)制成的超聲耦合元件40以及鑄材50。連接單元30由柔軟的雙股電纜32和連接連接線23或33的插塞連接器34組成。測量頭外殼具有通向其內(nèi)部12的開口14，超聲耦合元件40固定在外殼內(nèi)部。
超聲耦合元件40、測量頭外殼10和鑄材50在開口14的區(qū)域形成了接觸表面E。
在接觸表面E的區(qū)域，超聲耦合元件40和測量頭外殼10的內(nèi)壁16之間的距離至少為1mm。
為了幫助固定，在測量頭外殼10上設(shè)有固定元件80。示出的固定元件是凹槽，但是也可以使用其它的固定元件，如凸耳等。
測量頭2、3的適宜測溫范圍在-20℃到+80℃之間。
現(xiàn)在將更詳細地描述對本發(fā)明超聲流量計的測量頭的操作。
在使用中，測量頭2、3的整個接觸表面E放在管道1的外壁上。所測量的液體的溫度變化導(dǎo)致管道1外壁的溫度變化。溫度變化傳遞到測量頭2、3上。由于來自管道1的熱量傳遞發(fā)生在整個接觸表面E上，能夠很快形成溫度平衡。熱量不僅從管道1傳遞到超聲耦合元件40上，熱量還從管道1傳遞到鑄材50和測量頭外殼10上。由于鑄材50和測量頭外殼10(通常由金屬制成)具有很好的熱傳導(dǎo)性，溫度梯度可以很快被抹平。這就保證了可靠的測量。
由于超聲耦合元件40和測量頭外殼10被鑄在一起，能夠很容易補償制造測量頭外殼10的制造公差。接觸表面E主要起到這個補償作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在接觸面E區(qū)域測量頭外殼10和超聲耦合元件40之間保持1mm的間隔足以補償可能的制造公差。
很顯然由于成本的原因不必讓鑄材50填滿整個內(nèi)部12。即使只進行部分鑄造也能保證超聲耦合元件40的可靠固定。
在鑄造過程中，鑄材50進入凹槽80中，隨后將其固化，這能夠防止超聲耦合元件40從測量頭外殼10中脫離出來。
鑄材50的高傳導(dǎo)率起到增強熱平衡的作用。
權(quán)利要求
1.超聲流量計的測量頭具有部分敞開的測量頭外殼(10)，測量頭外殼中固定著具有壓電元件(20)和連接單元(30)的超聲耦合元件(40)，其特征在于將超聲耦合元件(40)和測量頭外殼(10)鑄在一起并且它們和鑄材(50)一起形成了接觸表面E，其中在接觸表面E區(qū)域的測量頭外殼(10)和超聲耦合元件(40)之間的間隔至少為1mm。
2.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量頭，其特征在于鑄材(50)的熱傳導(dǎo)率至少是1W/mK。
3.如權(quán)利要求1所述的測量頭，其特征在于接觸表面E是平的。
4.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量頭，其特征在于測量頭外殼(10)中不完全充滿鑄材(50)。
5.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量頭，其特征在于在測量頭外殼(10)上設(shè)有固定元件(80)。
6.如權(quán)利要求5所述的測量頭，其特征在于固定元件(80)是凹槽。
7.如權(quán)利要求5所述的測量頭，其特征在于固定元件(80)是凸耳。
全文摘要
本發(fā)明涉及由超聲耦合元件(40)和測量頭外殼(10)組成的超聲流量計測量頭，超聲耦合元件(40)和測量頭外殼(10)被鑄在一起，它們和鑄材(50)一起形成接觸表面E，接觸表面E使得熱量能夠有效地傳遞到測量頭上。為了補償制造公差，在接觸表面(E)的區(qū)域中，測量頭外殼(10)和超聲耦合元件(40)之間的間隔(a)至少為1mm。
文檔編號G10K11/00GK1541327SQ02814118
公開日2004年10月27日 申請日期2002年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月13日
發(fā)明者阿希姆·維斯特, 安德烈亞斯·貝格爾, 亞斯 貝格爾, 阿希姆 維斯特 申請人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司