超聲都卜勒流量計中使用的楔形和楔形單元的製作方法
2023-06-28 13:03:01 1
專利名稱：超聲都卜勒流量計中使用的楔形和楔形單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲都卜勒流量計中使用的一個楔形和一個楔形單元，安裝在(例如夾緊在)一個管子的外壁上，流體在此中流動，對流體供給一個超聲波(超聲)，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元。
背景技術：
傳統超聲都卜勒速度分布計之一是一個鉗制超聲流量計。鉗制超聲流量計用於測量一個管子中一個流體的流速，通過安裝(例如夾緊)一種材料用於傳播一個波到管子中，即，一個楔形在管子的一部分外部圓周上並發射波通過楔形進入到管子中。除非特別說明，在這裡假設流體在管子中水平地流動。
鉗制型超聲流量計包括一個傳播時差以及一個都卜勒方法型。
在一個傳播時差方法鉗制型超聲流量計中，超聲波斜射入流體中並從那裡返回，由此通過向外和返回傳播之間的傳播時差來測量流速。
而在都卜勒方法鉗制型超聲流量計中，流體速度通過懸浮微粒等等的速度測量(即計算)，基於流體中的懸浮微粒和氣泡與流體含有相同速度的假設。在都卜勒方法中，重點集中在注入到流體中的一個超聲波的頻率由都卜勒效應改變，結果是被懸浮微粒反射，並且由此通過探測反射超聲波的頻率來測量微粒速度。
圖1示出了一個傳統都卜勒方法鉗制型超聲流量計的配置。
圖1中，都卜勒方法鉗制型超聲流量計例如包括一個楔形14，在一個表面上由此安裝在一個管子31的一部分外部圓周上，在另一個表面上由此安裝一個超聲振蕩器13，用於響應於一個電信號而產生一個超聲波並接收從管子31中的流體返回的反射超聲波，一個發射器/接收器電路12用於產生一個脈衝電信號並將該信號供給超聲振蕩器13用於驅動它，以及一個流速計算單元(包括一個放大器21，A/D轉換器22，速度分布測量單元23，計算器24和顯示單元15)。
發射器/接收器電路12例如包括一個振蕩器以及一個脈衝發生電路。振蕩器產生一個含有基頻f0的電信號，脈衝發生電路以指定的間隔(即1/F rpf)輸出一個脈衝電信號。超聲振蕩器13通過在此加上的脈衝電信號產生一個超聲脈衝。然後超聲脈衝通過楔形14傳輸到管子31。
注意基頻f0基本上是以反比於管子31內徑確定的一個需要的頻率。另外，超聲脈衝是一個平動束，例如含有約5mm的脈衝寬度。
同時，楔形14上面安裝超聲振蕩器13的表面傾斜一定角度，使得該表面的法線與管子31橫切面表面的法線方向交叉角小於90度。
同時，超聲振蕩器13作為接收器用於接收回聲超聲波，它由超聲振蕩器13發射的一個超聲波生成，由懸浮在管子31中流動的流體32的一個反射體反射，以及作為發射器的功能。
流體32中這樣的反射體包括流體中持續包含的一個氣泡，一個微粒例如鋁微粒，一種外來的材料，與測量的流體具有不同的聲阻抗，等等。
然後圖1所示的都卜勒方法鉗制型超聲流量計的工作描述如下。
首先，從超聲振蕩器13通過由此施加一個脈衝電信號，將一個超聲脈衝注入管子31中的流體32中，超聲脈衝由懸浮在流體32中的一個反射體反射回來，由超聲振蕩器13作為一個超聲回聲接收，然後轉換為一個回聲電信號。
回聲電信號由放大器21放大，放大的回聲電信號由A/D轉換器22數位化。
然後數位化回聲電信號輸入到速度分布測量單元23中。儘管圖1沒有明確描繪，速度分布測量單元23接收一個電信號，它含有從發射器/接收器電路12的振蕩器的基頻f0；根據一個回聲電信號和含有基頻電信號之間的頻率差，基於都卜勒效應測量速度變化，計算相應區域中沿測量線的速度分布；通過使用上面描述的傾斜的角度修改對測量區計算的流速分布，由此計算管子31沿橫截面的流速分布。
圖1所示的流速計算單元和發射器/接收器電路的配置是一個實例， 其它類型的(發射器/接收器和計算單元)也是可用的。
發明公開然後在下面描述一個傳統都卜勒方法鉗制型超聲流量計涉及的流速分布測量技術的問題。在進入細節前，問題總結如下。即，用於測量流速或速度分布的超聲回聲伴隨著由多次反射造成的聲學噪聲。
既然對本發明的方法問題的鑑別佔有重要角色，上面描述的問題將在下面進一步描述。
參考圖2描述一個超聲都卜勒流量計的工作原理。
如圖2的頂部所示，由超聲振蕩器發射的超聲脈衝注入到管子31中，以一種方式與流體32的流動方向合併，使得在相對於垂直方向α角下測量。超聲脈衝由一個例如一直懸浮在流體中的反射體遇到並由此被反射，將它本身變換成一個超聲回聲，返回相反方向，並由超聲振蕩器13接收，並且然後轉換成一個回聲電信號。
圖2的第二部分示出了例如如圖1所示的A/D轉換器22的輸出。在圖2的第二部分中，由符號「a」標明的部分相應於由一個反射體反射的一個超聲回聲，「b」相應於由發射超聲脈衝這邊的管壁反射的多次反射回聲，以及「c」相應於由從超聲脈衝注入的管壁相反的一邊管壁反射的多次反射回聲。由符號「a」，「b」和「c」標明的信號部分將響應於從超聲振蕩器發射的超聲脈衝，以規定的間隔「1/F rpf」重複。
對圖2第二部分所示的回聲電信號進一步進行一個A/D轉換處理和一個濾波處理，然後根據都卜勒頻移方法由流速分布測量單元計算沿測量線的流速分布。都卜勒頻移方法是一個速度測量方法，使用的原理是上面描述的超聲回聲的頻率移動正比於流速。
圖2的第三部分(底部)示出了流速分布測量單元的輸出，流速分布測量單元的輸出，其中水平軸表示沿測量線的位置，而垂直軸表示相應於各自位置的流速。
隨著流速的獲得，使用下面的程序計算出流速。這種方法公開於各種文獻，例如下面註解的專利文獻1。
首先，在一個時間t的流速m通過下面的方程(1)給出，其中ρ為在測量下流體的粘滯性，v(x，t)為在時間t下的速度分量。
m(t)＝ρ∫v(x，t)dA ....(1)從方程(1)，在管子中時間t流動的流體的流速m可以轉化成下面的方程(2)。
m(t)＝ρ∫∫vx(r，θ，t)·r·dr·dθ ....(2)這裡vx(r，θ，t)表示沿管軸(即管軸方向)的一個速度分量，在時間t，距離r，從管子橫截面中心，以及以從中心位置經過橫截面的中心位置的角θ方向。
日本專利公開申請發表2000-97742，「超聲都卜勒流量計」上面描述的程序使得精確地探測一個速度分布以精確計算流速是必要的。這種必要獨立於流體經受正常或不正常條件下的測量。
進一步，既然流速分布的獲得是通過信號處理從一個反射體返回的一個超聲回聲，理想地，超聲回聲應該單獨含有需要的(優選的)聲學信號。
在這樣的一個都卜勒方法鉗制型超聲流量計中，然而由於一個管子的聲阻抗(即它的材料)大於管子中流體的聲阻抗，通過楔形從超聲振蕩器注入進管子的超聲波在管子和流體的邊界處大部分反射進管壁，接著是在管壁中(即在管子的外壁和內壁之間)的一個多次反射。實事是多次反射大於從內壁進管子內部的發射，這導致了需要的超聲回聲與大量的聲學噪聲耦合，這樣導致流速確定中的誤差。
然後參考圖3詳細闡述上面描述的現象。
在圖3中，從超聲振蕩器13中發射的超聲波沿入射線201注入到楔形14中，然後沿入射線202a進入管子31，直到管子31的內壁。
在管子31的內壁上，超聲波分成一個穿透內壁並沿入射線202b透進流體的分量超聲波，以及另一個被管子內壁反射沿側線203朝向管子外壁的分量。
到達外壁的超聲波由此幾乎被完全反射並再一次沿側線204a朝向內壁，接著類似地分支成一個分量超聲波，沿側線204b透進流體32，以及另一個分量超聲波，由內壁反射並朝向外壁。
當沿著上面描述的這些線(路徑)來回進行時，每個分量超聲波將會由超聲振蕩器13作為一個超聲回聲接收，並且由此獲得了一個速度分布以及結果獲得了流速。
即，沿入射路徑202b，202a，201走的超聲回聲返回到超聲振蕩器13，以及沿側線204b，204a，203，202a，201走的回聲返回到超聲振蕩器13。在這些之中，沿入射線202b，202a，201走返回到超聲振蕩器13的超聲回聲成為「優選超聲回聲」。
聯繫圖3的問題是優選超聲回聲伴隨著沿沿側線204b，204a，203，202a，201返回到超聲振蕩器13的超聲回聲，例如是作為聲學噪聲。
首先，為了描述上面的問題，將導出眾所周知的方程。
圖4描述了一個聲波從介質1前進至介質2的方式，或者反射或者在兩介質1和2之間的界面透過。
圖4中，當一個聲波以從界面的垂直方向的一個入射角θin從介質1進入2，被反射或者透射(穿透)波通過下面的方程(3)給出(基於斯涅爾定律)。
sininc1=sinoutc2=sinrefc1(3)]]>其中在方程(3)中c1是介質1中的聲速，c2是介質2中的聲速，θin是介質1中的入射角，θout是介質2中的入射角以及θref是介質1中的反射角。
同時，介質1和2各自的聲阻抗Z1和Z2，每個通過方程(4)和(5)給出。
z1＝ρ1c1...(4)
z2＝ρ2c2...(5)在方程(4)和(5)中，c1是介質1中的聲速，c2是介質2中的聲速，ρ1是介質1的密度，ρ2是介質2的密度。
在這種情況下，一個聲壓力波的穿透和反射比分別通過方程(6)和(7)給出。
Tp=2Z2cosinZ2cosin+Z1cosout(6)]]>Rp=Z2cosin-Z1cosrefZ2cosin+Z1cosref(7)]]>在管子界面的反射比和穿透比以及管子中的流體通過將這些方程施加到管子(它的材料)和流體而得到。
圖5示出了在使用不鏽鋼作為管子材料以及水作為在此流動的流體的情況下的一個實例計算。
不鏽鋼的聲速3250m/秒以及密度7.91*103kg/m3，而水的聲速1490m/秒以及密度1.00*103kg/m3。
如圖5所示，假設超聲波從管子的入射角為47°(度)，通過使用方程(6)和(7)得到穿透率6％，反射率94％，很明顯大部分超聲波在管壁中被反射，留下很少部分由此穿透到水中。
同樣可以計算由管子內壁反射的超聲波的透射和反射率。
既然不鏽鋼在管子外壁上與空氣接觸，它的聲速344m/秒以及密度1.293*103kg/m3，使用方程(6)和(7)得到穿透率0.001％，反射率99.999％。即，大部分超聲波在壁內被反射，而不是被發射到空氣中。
還是對超聲波到達管子(由不鏽鋼製成)和流體(這種情況下是水)進行同樣的計算，得到聲壓穿透進水的比為5.4％，其中該比值是相對於聲壓最初穿透進管子，考慮為100％。
為了示出超聲回聲如何響應於一個初始穿透波，即優選的超聲波，實際上伴隨著由一個反射波導致的一個超聲波，必須規定管子的壁厚和內徑。
這裡對管子假設厚度6mm，內徑102mm。
從入射角(即該情況下47°)計算入射路徑(長度)，通過除以各自介質的聲速(例如該情況下為不鏽鋼或水)計算在介質中傳播的時間。
比較沿內壁側線204b和202b的相應位置，沿側線204b在某一位置出現的超聲回波，由超聲振蕩器13稍後一個相應於沿側線203和204a傳播(來回)的時間，以比較於在相應位置沿側線202b發生的超聲回波。
因此，沿側線204b隨機位置發生的超聲回聲由超聲振蕩器13連續地根據時間接收，這個時間段由超聲波和超聲回波沿側線203和204a來回傳播的時間延遲重疊，沿入射線202b隨機位置發生的超聲回聲的時間段由超聲振蕩器13連續地根據時間接收。
圖6示出了超聲回聲如何被重疊並由超聲振蕩器接收。
圖6中，從上面描述的管子厚度和內徑以及入射角，沿側線203和204a的回程距離是12.2mm*4＝48.8mm，使得由於回程的延遲時間是15微秒，對不鏽鋼管取橫波速度為3250m/秒。取水中的聲速1490m/秒，超聲波沿側線例如202b和204b的回程時間為137微秒。因此從側線202b和204b的重疊超聲回聲信號是重疊的並由超聲振蕩器13接收，如圖6所示的持續時間X。
圖7示出了作為回聲信號被重疊的結果，噪聲是如何產生的。
圖7中，標記I示出了基於超聲回聲沿入射路徑202b的流速分布；標記II示出了基於超聲回聲沿側線204b的流速分布；以及標記III示出了作為與基於超聲回聲沿入射和側線路徑的流速分布重疊的結果的流速分布。圖7使得很明顯，流速分布(即由III表明的)作為一個測量結果從一個優選(需要的，希望的，實際的，必須的)流速分布漂移了。
圖8是傳統都卜勒方法鉗制型超聲流量計裝備一個楔形，同時夾住部分管子的橫截面圖。該圖還示出了聯繫傳統技術的第二問題。
圖8中，一個楔形52安裝有一個超聲振蕩器51，夾緊在一個管子53的一部分外壁上。
圖8相應於一個情況，其中比較於超聲振蕩器的直徑，管子厚度較小(即前者和後者的比值小於規定的值)。這種情況下，多次反射發生在超聲束寬度內，如該圖所示。即，一個超聲束從管子外壁位置例如P11進入，到達位置P12，它與另一個從外壁進入的超聲束重疊，由此產生多次反射。
用於測量(計算)管子中流速的入射線(路徑)的數目根據多次反射的數目而增殖。沿結果的側線傳播的超聲回聲信號與需要的超聲回聲信號重疊，導致了在計算流速分布或流速中誤差的問題。
發明內容
本發明的目標是提供一個楔形和一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，適合於降低聲學噪聲。
本發明的第一楔形單元是一個用於一個超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減單元，安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的超聲波從超聲振蕩器通過楔形注入到管子時，當從管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
同時，本發明的一個楔形是一個用於超聲都卜勒流量計的楔形，安裝在一個其中流動流體的管子外壁，對流體供給一個超聲信號，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，其中楔形一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及確定超聲振蕩器的直徑，使得超聲振蕩器發射的加在管子外壁的超聲波投影尺寸，依賴於楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
同時，本發明的第二個楔形單元是一個用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及在楔形和管子之間安裝的一個襯墊。
圖1示出了一個傳統都卜勒方法鉗制型超聲流量計的配置；圖2示出了一個超聲都卜勒流量計的工作原理，其中第一部分示出了一個超聲脈衝如何注入到管子中；第二部分示出了如圖1所示的A/D轉換器的輸出；以及底部示出了圖1所示的流速分布測量單元的輸出；圖3描述了在一個傳統實例中，伴隨噪聲的一個超聲回聲；圖4描述了一個聲波從介質1前進至介質2的方式，或者反射或者在兩介質1和2之間的界面透過；圖5示出了在使用不鏽鋼作為管子材料以及水作為在此流動的流體的情況下的一個實例計算；圖6示出了一個傳統實例中，沿各種側線的超聲回聲如何被重疊並由超聲振蕩器接收；圖7示出了作為回聲信號被重疊的結果，噪聲是如何產生的；圖8是傳統都卜勒方法鉗制型超聲流量計裝備一個楔形，同時夾住部分管子的橫截面圖，以及還解釋了聯繫傳統技術的第二問題；圖9示出了根據本發明第一實施例，用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元配置；圖10是從圖9右邊的橫截面圖(No1)；圖11是從圖9右邊的橫截面圖(No2)；圖12示出了在使用一個材料透過一個超聲波的情況下，該材料外表面的變化；
圖13示出了根據本發明第二實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖；圖14示出了如何確定一個超聲振蕩器的直徑；圖15示出了根據本發明第三實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖；圖16示出了根據本發明第四實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖；圖17示出了根據本發明第五實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖；圖18示出了如何確定一個襯墊的厚度。
具體實施例方式
參考下面的附圖詳細描述得到本發明的優選實施例。
本發明第一方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減單元，安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的超聲波從超聲振蕩器通過楔形注入到管子時，當從管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
這裡，安裝一個超聲波衰減器是安裝在管子的外部圓周上，使得包括一個位置，在該位置的反射超聲波首先到達管子外壁，並由此吸收一部分到達管子外壁的超聲波，使得回聲信號能夠衰減，導致噪聲沿管子外壁的進一步反射導致的側線返回，並且由超聲振蕩器接收並減少聲學噪聲。
本發明第二方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波傳輸單元，含有近似與管子相同的一個聲阻抗，並安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的超聲波從超聲振蕩器通過楔形注入到管子時，當從管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
這裡，一個超聲波傳輸單元安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的反射超聲波首先到達管子外壁，並由此傳輸超聲波到達管子外壁，通過散射從管子外壁傳輸的超聲波，使得能夠降低返回超聲振蕩器的回聲信號，結果進一步防止超聲波傳輸單元的表面反射並降低聲學噪聲。
本發明第三方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及確定超聲振蕩器的直徑，使得超聲振蕩器發射的加在管子外壁的超聲波投影尺寸，由楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角確定，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
這裡，通過超聲波在超聲振蕩器投影的直徑內互相重疊，避免側線的增殖是可能的，並從優選的超聲回聲中排除偏差，結果是它伴隨超聲回聲信號沿增加的側線返回。
同時，本發明第四方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減部件，用於衰減對一個超聲回聲信號增加噪聲的一個超聲波分量，其中確定超聲振蕩器的直徑，使得超聲振蕩器發射的加在管子外壁的超聲波投影尺寸，由楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角確定，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差，以及一個超聲波衰減部件安裝在管子的外圓周上，使得避免由超聲振蕩器產生的超聲束的投影。
這裡，可能阻止超聲波進入管子外壁以及由此的反射，結果首先在第四個方面，以及在第三個方面進入超聲衰減材料。
同時，本發明第五方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；第一和第二束直徑限制單元用於限制由超聲振蕩器發射的一個超聲束直徑，並安裝在楔形的底表面上，由此第一和第二束直徑限制單元中至少一個加倍，作為一個超聲波衰減部件用於衰減給超聲回聲信號加上噪聲的一個超聲波分量。
這裡，由於在限制的束直徑內超聲波互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於結合一個狹縫和一個超聲波衰減部件，並且由需要的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的一個超聲回聲信號相重疊。
在上面描述的第五個方面中，可以安裝束直徑限制單元或超聲波衰減部件，使得入射在管子外壁的束的投影尺寸，不超出從管子外壁注入的任何束的位置和該束由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
同時，本發明第六方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，其中一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射信號，並且安裝有一個束直徑限制單元，用於限制由楔形內的超聲振蕩器發射的超聲束直徑。
這裡，由於超聲波的互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於限制束直徑的狹縫的延伸，並且由需要的(優選的)超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的一個超聲回聲信號相重疊。
同時，本發明第七方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上由此安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及另外在它的內部安裝有一個束直徑限制單元，用於限制由楔形內的超聲振蕩器發射的超聲束直徑；以及一個超聲波衰減部件，用於衰減給一個超聲回聲信號增加噪聲一個超聲波分量。
在上面描述的第七方面，束直徑限制單元可以安裝在楔形內部，使得入射在管子外壁的限制束直徑的投影尺寸，不超出任何束從管子外壁進入的位置和該束由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
還是在上面描述的第七方面，超聲波衰減部件可以安裝在管子外部圓周上，使得避免一個位置，在該位置從超聲振蕩器發射的一個超聲波首先到達管子外壁。另外，在上面描述的第七方面，超聲波衰減部件可以安裝在管子外部圓周上，使得包括一個位置，在該位置一個超聲波由內壁反射後，首先到達管子外壁。
同時，本發明第八方面的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及一個安裝在楔形和管子之間的襯墊。
這裡，由於在一個超聲振蕩器直徑內超聲波互相重疊，通過襯墊安裝在楔形和管子外壁之間，降低側線的增加比率是可能的，以及由需要的(優選的)超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。
在上面描述的第八個方面中，可以調整襯墊的厚度，使得由超聲振蕩器發射的超聲束的投影尺寸，它依賴於安裝超聲振蕩器的楔形的另一個表面入射角，並加在襯墊和楔形的接觸表面上，不超出超聲波從接觸表面進入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
通過這種配置，在一個超聲振蕩器的直徑內避免側線的增加是可能的，並且由需要的(優選的)超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。
根據本發明第一方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，既然安裝了一個超聲波衰減單元，使得包括一個位置，在該位置一個超聲波首先到達管子外壁，由此吸收一部分到達管子外部的超聲波，使得衰減噪聲增加超聲回聲信號是可能的，它被超聲振蕩器接收通過在管子外壁進一步反射引起的側線，並減少聲學噪聲。另外降低聲學噪聲能夠改進速度分布和流速測量的精確性。
根據發明第二方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，既然安裝了一個超聲波衰減單元，使得包括一個位置，在該位置一個超聲波首先到達管子外壁，由此傳輸超聲波首先到達管子外壁，通過散射從管子外壁傳輸的超聲波，超聲波傳輸單元的表面的進一步反射，以及聲學噪聲，使得降低超聲振蕩器接收的噪聲增加超聲回聲信號是可能的。另外降低聲學噪聲能夠改進速度分布和流速測量的精確性。
根據發明第三方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，通過超聲波在超聲振蕩器投影的直徑內互相重疊，避免側線的增殖是可能的，並從優選回聲中排除偏差，結果是它伴隨超聲回聲信號沿增加的側線返回。因此能夠降低聲學噪聲。
根據發明第五方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，由於在限制的束直徑內超聲波互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於結合一個狹縫和一個超聲波衰減部件，並且由需要的(優選的)超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的一個超聲回聲信號相重疊。然後這能夠降低聲學噪聲。
根據發明第六方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，由於束直徑內的超聲波互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於狹縫限制束直徑的延伸，並且由需要的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。因此能夠降低聲學噪聲。
根據發明第八方面的用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元，由於在超聲振蕩器直徑內超聲波互相重疊，通過襯墊安裝在楔形和管子外壁之間，降低或排除側線的增加比率是可能的，以及由需要的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。因此能夠降低聲學噪聲。
圖9示出了根據本發明第一實施例，用於一個超聲都卜勒流量計的一個楔形單元配置。
圖9中，用於一個超聲都卜勒流量計的楔形單元配置為一個楔形62，它的一個表面安裝在管子71的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器61，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收從管子71中的流體72的反射(超聲)波；以及一個超聲波衰減單元63，安裝在管子71的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的超聲波從超聲振蕩器61通過楔形注入到管子71時，當從管子71的內壁反射後，首先到達管子71的外壁。
應該知道超聲脈衝是一個平動的束，含有例如約5mm的脈衝寬度。
另外，楔形62作為一個介質輸送一個由超聲振蕩器61產生的超聲波到管子71，它由一種塑料材料配置而成，例如丙烯酸，聚氯乙烯，等等，而超聲振蕩器61由一個壓電材料例如PZT(鋯鈦酸鉛)配置而成，並通過使用例如一種環氧樹脂粘合劑固定在楔形62上。
超聲振蕩器61在其上安裝的楔形62的表面以一個規定的角傾斜，使得該表面的法線與管子31橫切面表面(即軸向)的法線方向交叉角小於90°(90°-θw)。
同時，超聲振蕩器61除了作為發射器，還作為接收器用於接收回聲超聲波，它由一個超聲波生成，由超聲振蕩器61從懸浮在管子71中流動的流體72的一個反射體碰撞和反射而發射。
圖9中，從超聲振蕩器61中發射的超聲波沿入射線301注入到楔形62中，然後沿入射線302a進入管子71，然後沿入射線302a到達管子71的內壁。
在管子71的內壁，超聲波分成一個超聲波分量，穿透管子內壁並沿入射線302b透進流體，以及另一個在管子71內壁的超聲波分量，由管子內壁反射並沿側線303朝向管子外壁。
到達外壁的一部分超聲波分量注入到一個超聲波衰減部件63，它安裝在外壁上，使得包括相對位置，超聲波分量的剩餘部分由外壁反射，再次沿側線304a朝向內壁。
通過這樣讓超聲波衰減部件吸收一部分到達與管子接觸的界面的超聲波，沿側線304a朝向內壁的超聲波分量減弱，並且沿側線304a穿進流體的超聲波分量加到需要的超聲回聲(即相應於一個超聲波沿入射線302b穿進流體的超聲波回聲)中的噪聲，由此降低到在測量數據中不導致誤差的水平。
這樣，既然到達管子外壁的一部分超聲波由安裝的超聲波衰減部件63所吸收，使得覆蓋超聲波分量在內壁反射，首先到達管子外壁(沿側線303)的位置，衰減由反射噪聲增加回聲信號是可能的，它是由超聲振蕩器61通過側線作為在管子外壁進一步的結果接收的。
同時，到達管子內壁的一個超聲波分成一個超聲波分量，沿入射線304b注入進流體72中，以及另一個超聲波分量，由管子內壁反射並朝向管子外壁。
每個超聲波分量沿側線來回傳播後，作為一個超聲回聲再一次由超聲振蕩器61接收，並且基於超聲波回聲由一個流速計算單元(未示出)計算一個流速分布和一個流速。
例如圖9所示的是超聲回聲沿入射線302b，302a和301返回至超聲振蕩器61，另一個超聲回聲沿入射線304b，304a，303，302a和301返回至超聲振蕩器61。
圖10是從圖9右邊的橫截面圖。
如圖10所示，楔形62和超聲波衰減部件63安裝在接觸管子71上。
由於鉗制型的本性，上面描述的安裝是以後可拆卸的，因為楔形62和超聲波衰減部件63一般是通過使用一個鋼帶等等環繞安裝在管子71上。如果不需要考慮以後的去除，安裝可以通過使用例如粘合劑固定在管子71上。此外，超聲波衰減部件63可以使用粘合劑固定在楔形62上。
上面描述的超聲波衰減部件63可以由一種材料製作，例如鎢彈性體，含有聲阻抗比上面描述的管子71要低。
同時，儘管楔形62安裝在管子71上如圖10表明的接觸，從超聲振蕩器61發出的超聲波實際在管子外壁和內壁之間的間隙內保持反射以二維傳播。
在這種環境下，安裝一個超聲波衰減部件64的特徵是一個以管子外壁為輪廓的半徑，使得包括一個位置，在該位置上這種含有一個二維傳播的反射波首先到達管子71的外壁，如圖11所示，將使進一步衰減上面描述的噪聲增加回聲信號成為可能，由此大大降低聲學噪聲。
同時，參考圖9-11，使用含有與管子材料近似同樣的聲阻抗的超聲波傳輸材料，代替一個超聲波衰減部件，即一個不鏽鋼部件以一個設計的形式安裝在例如一個不鏽鋼管子上，在超聲波從管子內壁反射後，首先到達管子外壁的位置處，大部分超聲波透過上面提到的部件，儘管很少一部分反射發生在與部件的界面上。作為這個結果，透過外壁的波由不鏽鋼部件表面等的進一步反射而散射，這樣能夠降低返回到超聲振蕩器61的噪聲增加回聲信號，以及降低聲學噪聲。
還是在這種情況下，可以在超聲波傳輸材料的外表面上安裝另外一個結構，用於進一步散射反射，使得基本上衰減通過散射(即一種隨機反射)進入超聲波傳輸材料的超聲波。這樣一個結構示例於圖12，其中應該考慮超聲波傳輸材料65的表面特徵，它含有三角形，與注入的超聲波波長含有同樣或幾乎相同的齒距。
圖13示出了根據本發明第二實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖。楔形單元包括一個楔形安裝有一個超聲振蕩器，以及一個超聲波衰減部件。
圖13中，一個楔形82和一個超聲波衰減部件88安裝在一個流體84在其中流動的管子83的外壁上。楔形82的一個表面安裝在管子83的一部分外部圓周上。楔形82的另一個表面安裝有一個超聲振蕩器81，用於響應於由一個驅動電路(未示出)供給的一個電信號而產生超聲波，將超聲波注入到流體84中並接收它的反射信號。接收的反射信號然後供給一個流速計算單元(未示出)作為一個超聲回聲信號。
楔形82優選由一種塑料樹脂材料構成，例如丙烯酸，聚氯乙烯，等等，而超聲振蕩器81優選由一個壓電材料例如PZT(鋯鈦酸鉛)構成。超聲振蕩器81通過一種粘合劑例如環氧樹脂粘合劑固定在楔形82上。注意楔形82的表面，上面安裝(即固定)超聲振蕩器81，如圖13所示，參考從管子83的軸向垂直觀察，傾斜了θw度。
在該實施例中，確定超聲振蕩器81的直徑，使得由加在管子83外壁的超聲振蕩器81發射的超聲束的投影尺寸，依賴於楔形82安裝超聲振蕩器81的另一個表面的傾斜角，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
通過上面描述的配置，作為超聲波在超聲振蕩器81的直徑內互相重疊的結果，使得避免側線的增殖是可能的，並從優選的超聲回聲中排除偏差，結果是它伴隨超聲回聲信號沿增加的側線返回。
同時，圖13示出了一個配置，進一步包括一個超聲波衰減部件88，其中超聲波衰減部件88安裝在管子83的外部圓周上，使得避免上面描述的由超聲振蕩器81發射的超聲波入射在管子外壁的投影，即超聲波首先到達管子外壁的位置。通過這種配置，在到達管子外壁前，超聲波進入超聲波衰減部件88，由此阻止了進一步的反射。
進一步，安裝超聲波衰減部件88，使得包括位置，在該位置超聲波在通過管子內壁反射之前首先到達管子外壁，有效地減小了初始反射波的振幅，否則將導致隨後的反射，這樣適合於進一步降低聲學噪聲。
這裡注意超聲波衰減部件88的尺寸優選足夠大，對一個超聲波並考慮超聲波傳播方向，以截取的大於一次的多次反射。超聲波衰減部件88優選由一種含有比管子83聲阻抗小的材料構成，例如鎢彈性體。同時，超聲波衰減部件88可以使用例如一種粘合劑固定在楔形82上，或者通過使用一個固定單元例如鋼帶直接固定在管子上。
圖14示出了如何確定一個超聲振蕩器的直徑。
圖14中，確定超聲振蕩器的直徑D，使得超聲振蕩器發射的超聲束入射到管子外壁上的投影尺寸(即點P1和P2之間的距離，即L』)，依賴於楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角，不超出超聲波從管子外壁注入的位置(即點P1)和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置(P3)之間的差L。即，直徑D根據下面的方程(A1)確定L』≤L...(A1)同時導出下面的方程(A2)，其中θw是上面安裝超聲振蕩器的楔形表面傾斜的角度D＝L』*cosθw...(A2)同時導出下面的方程(A3)，其中θp是示出在管子中超聲波傳播方向的角度L＝2t*tanθp...(A3)然後導出下面的方程(A4)，通過將方程(A2)和(A3)帶入(A1)，代替L和L』(D/cosθw)≤2t*tanθp...(A4)
因為θw≤π/2，重新安排方程(A4)，得到方程(A5)D≤2t*tanθp*cosθw...(A5)確定一個超聲振蕩器的直徑D使得投影尺寸L』等於上面描述的位置之間的差L，以及超聲振蕩器由最大傳輸功率伴隨一個可接受的噪聲截除來實現，這樣導出了下面的方程(A6)D＝2t*tanθp*cosθw...(A6)圖15示出了根據本發明第三實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖。楔形單元包括一個楔形安裝有一個超聲振蕩器，以及一個超聲波衰減部件。從圖15中有複製圖13的地方，將省略描述。
圖15中，安裝在一個楔形92底部的是一個狹縫89，用於限制由超聲振蕩器91發射的超聲束的直徑，一個超聲波衰減部件88用於衰減對一個超聲回聲信號增加噪聲的一個超聲波分量。注意在一個發射的超聲波在到達管子外壁前注入超聲波衰減部件88中的情況下，超聲波衰減部件88加倍，作為一個狹縫用於限制超聲波束直徑。
狹縫89由一種含有比楔形材料的聲阻抗小的材料構成，例如空氣或者一些其它氣體，或者一種吸收或衰減超聲波的材料(例如鎢彈性體)，或相對於楔形材料含有大的聲阻抗材料製成的一個超聲波反射部件(例如一種金屬性材料例如不鏽鋼或鋁)。
通過上面的描述方法，由於在限制的束直徑內超聲波互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於結合一個狹縫89和一個超聲波衰減部件88，並且由優選的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。
同時，優選安裝狹縫89或超聲波衰減部件88，使得入射在管子83外壁上的束的投影尺寸，不超出從任何束管子外壁注入的位置和該束由內壁反射後首先到達管子外壁的點之間的差。
這阻止了超聲束在上面描述的束直徑內的重疊，進一步增加了有效性。
同時，在第三實施例中，狹縫89或超聲波衰減部件88優選安裝在楔形底部，使得限制超聲振蕩器91發射的超聲束的束直徑D，通過滿足條件方程，(即D≤2t*tanθp*cosθw)，其中t是管子83的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角。
圖16示出了根據本發明第四實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖。楔形安裝一個超聲振蕩器以及特徵是在此的一個狹縫。在描述圖16時，省略了與13相同的描述。
圖16中，在楔形122中有一個狹縫110，用於限制由超聲振蕩器121發射的超聲束的束直徑。
狹縫110由一種含有比楔形材料的聲阻抗小的材料構成，例如空氣或者一些其它氣體，一種吸收或衰減超聲波的材料(例如鎢彈性體)，或者相對於楔形材料含有大的聲阻抗材料製成的一個超聲波反射部件(例如一種金屬性材料例如不鏽鋼或鋁)。
通過上面描述的配置，由於超聲波的互相重疊，降低側線的增加比率是可能的，相應於限制束直徑的狹縫110的延伸，並且由需要的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。
超聲波衰減部件88優選安裝在管子83的外部圓周上，使得避免由超聲振蕩器121發射的超聲波首先到達管子83外壁的位置。
同時，狹縫110限制超聲振蕩器121的束直徑，使得入射在管子外壁上的投影的束直徑尺寸，不超出任何束進入管子外壁的位置和該束由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
這阻止了超聲波在上面描述的束直徑內的重疊，進一步增加了有效性。
進一步，在到達管子外壁前，超聲波進入超聲波衰減部件88，由此阻止了進一步的反射。
以及進一步，安裝超聲波衰減部件88，使得包括位置，在該位置超聲波在通過管子內壁反射之前首先到達管子83的外壁，有效地減小了初始反射波的強度，否則將導致隨後的反射。
同時，根據第四實施例，狹縫110優選安裝在楔形中，使得限制超聲振蕩器121發射的超聲束的束直徑D，通過滿足條件方程，(即D≤2t*tanθp*cosθw)，其中t是管子83的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角。
同時，在上面的描述中，當超聲波衰減部件88安裝在如圖13和16所示的超聲波傳輸方向時，超聲波衰減部件88可以由一個超聲波傳輸部件代替，它與管子材料含有相同或近似相同的聲阻抗。在這種情況下，超聲波傳輸部件和空氣之間的界面將優選為粗糙的，使得散射到達到那裡的超聲波。
圖17示出了根據本發明第五實施例，用於一個超聲流量計的一個楔形單元的截面圖。楔形單元包括一個楔形132，安裝有一個超聲振蕩器131，以及一個超聲波衰減部件138。
圖17中，一個襯墊(spacer)139安裝在楔形132和其中流有流體134的管子133之間，並且楔形132通過襯墊139安裝在管子133的一部分外部圓周上，襯墊在超聲波傳播方向延伸。襯墊139的延伸部分安裝了一個超聲波衰減部件138，用於對優選的超聲回聲信號衰減一個超聲波分量增加噪聲。
同時楔形132的另一個表面安裝產生一個超聲波的一個超聲振蕩器131，用於響應於由一個驅動電路(未示出)供給的一個電信號而產生超聲波，將超聲波注入到流體134中並接收它的反射信號。接收的反射信號然後供給一個流速計算單元(未示出)作為一個超聲回聲信號。
楔形132優選由一種塑料樹脂材料構成，例如丙烯酸，聚氯乙烯，等等，而超聲振蕩器131優選由一個壓電材料例如PZT(鋯鈦酸鉛)構成。超聲振蕩器131通過一種粘合劑例如環氧樹脂粘合劑固定在楔形132上。注意楔形132的表面，上面安裝(即固定)超聲振蕩器131，如圖13所示，參考從管子133的軸向垂直觀察，傾斜了θw度。
這裡，作為超聲波在超聲振蕩器131的直徑內互相重疊的結果，通過襯墊139安裝在楔形132和管子外壁之間，使得避免側線的增殖是可能的，並從優選的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線接收的超聲回聲信號相重疊。
進一步，在本實施例中，調整襯墊139的厚度，使得由超聲振蕩器131發射的超聲束的投影尺寸，它確定為楔形132上粘貼超聲振蕩器131的表面的傾斜角，並加在襯墊139與楔形132的接觸表面上，不超出超聲波從接觸表面進入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
通過這種配置，使得在超聲振蕩器131直徑內避免側線的增殖成為可能，以及從優選的超聲回聲信號導致的誤差與通過增加的側線所接收的超聲回聲信號相重疊。
同時，超聲波衰減部件138安裝在圖17中的管子外壁，使得降低管子內壁和外壁之間的多次反射的影響成為可能。
在管子133的外部圓周上安裝超聲波衰減部件138，使得避免由超聲振蕩器131發射的加在襯墊139與楔形132的接觸表面上的超聲束投影尺寸，即超聲波首次從接觸表面進入的位置，將阻止一個反射，因為超聲波在進入管子外壁之前進入超聲波衰減部件138。
進一步，在管子133的外部圓周上安裝超聲波衰減部件138，使得包括位置，在該位置超聲波在由管子內壁反射之前首先到達襯墊138的接觸表面(也包括接觸楔形132的一個延伸位置)，將適合於有效地減小初始反射波的強度，否則將導致隨後的反射，這樣基本上降低了聲學噪聲。
同時，超聲波衰減部件138優選足夠大，考慮超聲波傳播方向，以截取管子中超聲波的至少大於一次的多次反射。另外，相比於管子133，超聲波衰減部件138優選由一種含有聲阻抗小的材料配置，例如鎢彈性體。同時，超聲波衰減部件138可以使用例如一種粘合劑固定在楔形132上，或者通過使用一個固定單元例如鋼帶直接固定在管子上。
圖18示出了如何確定一個襯墊的厚度。
在圖18中，調整襯墊139的厚度，使得由超聲振蕩器131發射的超聲束的投影尺寸(即點P1和P2之間的距離，即L』)，它依賴於楔形132安裝超聲振蕩器131的另一個表面的傾斜角，並在襯墊139和楔形132接觸表面上，不超出超聲波從接觸表面進入的位置(即點P1)和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的另一個位置(P3)之間的差L。即，襯墊139的厚度根據下面的方程(B1)確定L』≤L...(B1)同時導出下面的方程(B2)，其中θw是上面安裝超聲振蕩器的楔形表面傾斜的角度D＝L』*cosθw...(B2)注意襯墊包括一種材料，假設與管壁含有相同或近似相同聲阻抗，以簡化下面的方程，等等。然而，如果沒有加上這樣的限制，應加上類似的討論。
同時，導出下面的方程(B3)，其中tp是管子厚度，ts是襯墊厚度，以及θp是超聲波傳播的方向(B3)L＝2*(tp+ts)*tanθp...(B3)然後得到下面的方程(B4)，通過將方程(B2)和(B3)帶入(B1)，代替L和L』(D/cosθw)≤2*(tp+ts)*tanθp...(B4)既然0≤θp以及θw≤π/2，重新安排方程(B4)，得到方程(B5)D/(2*tanθp*cosθw)-tp≤ts...(B5)襯墊的厚度ts，使投影寬度L等於上面描述的位置之間的差L』，給出了適合有效地截除噪聲的襯墊最小厚度。在這種情況下，下面的方程(B6)得到D/(2*tanθp*cosθw)-tp＝ts...(B6)注意，儘管超聲波衰減部件138安裝在上面描述中如圖17所示的超聲波傳播方向，使用含有與管子材料相同或近似相同聲阻抗的超聲波傳輸部件，可以代替該超聲波衰減部件138。在這種情況下，超聲波傳輸部件和空氣之間的界面將優選為粗糙的，使得散射到達到那裡的超聲波。
根據本發明的一個楔形和楔形單元適用於一個都卜勒方法鉗制型超聲流量計，通過安裝(即夾緊)一個管子的一部分外部圓周來使用。
權利要求
1.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減單元，安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置由超聲振蕩器通過楔形注入到管子中的超聲波，當由管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
2.根據權利要求1的楔形單元，其中所述超聲波衰減單元包括一種材料，相比於所述管子材料，含有一個較小的聲阻抗。
3.根據權利要求1的楔形單元，其中所述超聲波衰減單元包括鎢彈性體。
4.根據權利要求1的楔形單元，其中所述與所述管子接觸的部分超聲波衰減單元的特徵是與所述管子具有相同半徑。
5.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個其中流動流體的管子外壁，對流體供給一個超聲信號，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及含有與管子近似相同聲阻抗的一個超聲波傳輸單元，安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置由超聲振蕩器通過楔形注入到管子中的超聲波，當由管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
6.根據權利要求5的楔形單元，其中與所述管子接觸的一部分所述超聲波傳輸單元的特徵是與所述管子具有相同半徑。
7.根據權利要求5的楔形單元，其中所述超聲波傳輸單元配置的特徵是，它的外表面能導致一個超聲波的散射。
8.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形，安裝在一個其中流動流體的管子外壁，對流體供給一個超聲信號，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，其中一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及確定超聲振蕩器的直徑，使得依賴於楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角的、超聲振蕩器發射的加在管子外壁的超聲波投影尺寸，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
9.根據權利要求8的楔形，其中確定所述超聲振蕩器的直徑，使得所述投影尺寸等於，或近似等於所述的差。
10.根據權利要求8的楔形，其中確定所述超聲振蕩器的直徑D，使得滿足下面的條件方程，其中t是所述管子的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角D≤2t*tanθp*cosθw
11.根據權利要求8的楔形，其中確定所述超聲振蕩器的直徑D，使得滿足，或近似滿足下面的方程，其中t是所述管子的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角D＝2t*tanθp*cosθw
12.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於使用電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減部件，用於衰減對超聲回聲信號增加噪聲的一個超聲波分量，其中確定超聲振蕩器的直徑，使得依賴於楔形安裝超聲振蕩器的另一個表面的傾斜角的、超聲振蕩器發射的加在管子外壁的超聲波投影尺寸，不超出超聲波從管子外壁注入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差，以及一個超聲波衰減部件安裝在管子的外圓周上，使得避免由超聲振蕩器產生的超聲束的投影。
13.根據權利要求12的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件安裝在所述管子的外圓周上，使得進一步包括一個位置，在該位置來自超聲振蕩器的超聲波從管子內壁反射後首先到達管子外壁。
14.根據權利要求12的楔形單元，其中確定所述超聲振蕩器的直徑D，使得滿足，或近似滿足所述的差。
15.根據權利要求12的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件的聲阻抗小於所述管子的聲阻抗。
16.根據權利要求12的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件由鎢彈性體製成。
17.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及第一和第二束直徑限制單元，用於限制由超聲振蕩器發射的超聲束直徑，並安裝在楔形的底表面上，其中第一和第二束直徑限制單元中至少一個兼任超聲波衰減部件，用於衰減給超聲回聲信號加上噪聲的一個超聲波分量。
18.根據權利要求17的楔形單元，其中安裝所述束直徑限制單元或所述超聲波衰減部件，用於限制一個束直徑，使得加在管子外壁的束的投影尺寸，不超出從管子外壁注入的任何束元素(超聲波)的位置和該束元素由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
19.根據權利要求18的楔形，其中安裝所述束直徑限制單元或所述超聲波衰減部件，用於限制所述超聲振蕩器的束直徑D，使得滿足下面的條件方程，其中t是所述管子的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角D≤2t*tanθp*cosθw
20.根據權利要求17的楔形，其中所述束直徑限制單元具有比楔形材料更小的聲阻抗，並且是一個包括氣體例如空氣的狹縫。
21.根據權利要求17的楔形，其中所述束直徑限制單元是一個狹縫，包括一種吸收和/或衰減超聲波的材料。
22.根據權利要求21的楔形，其中所述吸收和/或衰減超聲波的材料是鎢彈性體。
23.根據權利要求17的楔形，其中所述束直徑限制單元是一個超聲波反射部件，包括一種比楔形材料具有更大聲阻抗的材料。
24.根據權利要求23的楔形，其中所述超聲波反射部件由一種金屬性材料例如不鏽鋼或鋁製成。
25.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，其中楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射信號，並且安裝有一個束直徑限制單元，用於限制楔形內部的超聲振蕩器發射的超聲束直徑。
26.根據權利要求25的楔形，其中所述束直徑限制單元安裝在楔形內部，使得加在管子外壁的所述限制束直徑的投影尺寸，不超出任何束元素(超聲波)從管子外壁注入的位置和該束元素由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
27.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波，以及另外在它的內部安裝有一個束直徑限制單元，用於限制由超聲振蕩器發射的超聲束直徑；以及一個超聲波衰減部件，用於衰減給超聲回聲信號增加噪聲的一個超聲波分量。
28.根據權利要求27的楔形單元，其中所述束直徑限制單元安裝在楔形內部，使得加在管子外壁的所述限制束直徑的投影尺寸，不超出任何聲束從管子外壁注入的位置和該聲束由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
29.根據權利要求27的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件安裝在所述管子的外部圓周上，使得避免一個位置，在該位置從超聲振蕩器發射的超聲波首先到達管子外壁。
30.根據權利要求27的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件進一步安裝在所述管子的外部圓周上，使得包括一個位置，在該位置一個超聲波由內壁反射後到達管子外壁。
31.根據權利要求27的楔形單元，其中在楔形內部安裝所述束直徑限制單元，用於限制所述超聲振蕩器的束直徑D，使得滿足下面的條件方程，其中t是所述管子的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角D≤2t*tanθp*cosθw
32.根據權利要求27的楔形單元，其中所述束直徑限制單元具有比楔形材料更小的聲阻抗，並且是一個由氣體例如空氣構成的狹縫。
33.根據權利要求27的楔形單元，其中所述束直徑限制單元是一個狹縫，由一種吸收和/或衰減超聲波的材料構成。
34.根據權利要求33的楔形單元，其中所述吸收和/或衰減超聲波的材料是鎢彈性體。
35.根據權利要求27的楔形單元，其中所述束直徑限制單元是一個超聲波反射部件，由一種比楔形材料具有更大聲阻抗的材料構成。
36.根據權利要求35的楔形單元，其中所述超聲波反射部件由一種金屬性材料例如不鏽鋼或鋁製成。
37.一種用於超聲都卜勒流量計的楔形單元，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形，它的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及安裝在楔形和管子之間的襯墊。
38.根據權利要求37的楔形單元，其中確定所述襯墊的厚度，使得依賴於安裝超聲振蕩器的楔形的另一個表面的傾斜角，並加在襯墊的接觸表面上的超聲束的投影尺寸，不超出超聲波從接觸表面進入的位置和超聲波由內壁反射後首先到達管子外壁的位置之間的差。
39.根據權利要求38的楔形單元，其中確定所述襯墊的厚度，使得所述投影尺寸等於，或近似等於所述的差。
40.根據權利要求37的楔形單元，其中所述襯墊包括一種材料，與管子材料具有相同，或近似相同的聲阻抗。
41.根據權利要求40的楔形單元，其中確定所述襯墊的厚度，使得滿足下面的條件方程，其中tp是所述管子的厚度，ts是所述襯墊的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角，以及D是超聲振蕩器的直徑D/(2*tanθp*cosθw)-tp≤ts
42.根據權利要求40的楔形單元，其中確定所述襯墊的厚度，使得滿足，或近似滿足下面的條件方程，其中tp是所述管子的厚度，ts是所述襯墊的厚度，θp是管子中超聲波傳播的角度，θw是楔形的傾斜角，以及D是超聲振蕩器的直徑D/(2*tanθp*cosθw)-tp＝ts
43.根據權利要求37的楔形單元，其中所述襯墊在所述超聲波傳播方向延伸，進一步包括一個超聲波衰減部件，用於對給超聲回聲信號增加噪聲的超聲波分量進行衰減，以及超聲波衰減部件安裝在襯墊上。
44.根據權利要求43的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件安裝在所述襯墊上，使得避免一個投影，它依賴於安裝所述超聲振蕩器的楔形的另一個表面的傾斜角，加在襯墊和楔形的接觸表面上，由超聲振蕩器發射的一個超聲束形成。
45.根據權利要求44的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件安裝在所述襯墊上，使得包括一個位置，在該位置一個超聲波由管子的內壁反射後首先到達所述襯墊的接觸表面。
46.根據權利要求43的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件比管子材料具有更小的聲阻抗。
47.根據權利要求43的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件是鎢彈性體。
48.根據權利要求43的楔形單元，其中所述超聲波衰減部件包括一種材料，與管子材料具有相同，或近似相同的聲阻抗，其特徵還有暴露於空氣中的波紋狀表面。
全文摘要
根據本發明的一個楔形單元，用於一個超聲都卜勒流量計，安裝在一個流體在其中流動的管子外壁上，對流體供給一個超聲波，接收反射波並將反射波供給一個流速計算單元，包括一個楔形的一個表面安裝在管子的一部分外部圓周上，在它的另一個表面上安裝一個超聲振蕩器，用於響應於一個電信號而產生超聲波，並接收反射波；以及一個超聲波衰減單元，安裝在管子的外圓周上，使得包括一個位置，在該位置的超聲波從超聲振蕩器通過楔形注入到管子時，當從管子內壁反射後，首先到達管子外壁。
文檔編號G01F1/66GK1648614SQ200510006858
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月28日 優先權日2004年1月30日
發明者平山紀友, 山本俊廣, 矢尾博信, 小野寺拓也 申請人:富士電機系統株式會社