超声波流量测量装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及超声波流量测量装置及其制造方法。提出一种用于制造超声波流量测量装置(10)的方法，其中从外部在管道段(14)的管道壁(22)中制造至少一个用于超声波换能器(18a‑b)的凹部(30)，在运行时流体(12)在管道段中流动，且将超声波换能器(18a‑b)布置在凹部(30)中，其中超声波换能器(18a‑b)具有振荡体(34)，该振荡体耦合在管道壁(22)的部分区域(32)上，该部分区域作为超声波换能器(18a‑b)的可振荡的膜片起作用。在此，凹部(30)的制造步骤包括钻孔工序，并且联接件(36)与凹部(30)一起制造，该联接件在置入超声波换能器(18a‑b)之后布置在膜片和振荡体(34)之间且其横截面小于振荡体(34)的横截面。 1

【技术实现步骤摘要】
超声波流量测量装置及其制造方法本专利技术涉及根据权利要求1或14的前序部分所述的用于制造超声波流量测量装置的方法以及超声波流量测量装置。已知各种测量原理用于基于超声波学来确定流速或流量。在多普勒法中，对反射到流动的流体上的超声波信号的根据流速而不同的频率偏移进行评估。在传播时差法中，一对超声波换能器通过纵向方向上的相互偏移安装在管道的外周上，这一对超声波换能器横向于流动沿着建立在超声波换能器之间的测量路径交替地发送和记录超声波信号。穿过流体输送的超声波信号根据传播方向通过流动来加速或减速。得到的传播时间差借助几何数值计算出流体的平均流速。由此借助横截面积得出体积流量或流量。为了进行更精确的测量也可以设置多个测量路径，每个测量路径分别具有一对超声波换能器，以便检测多于一个点处的流动横截面。用于产生超声波的超声波换能器具有振荡体，常见的为陶瓷。借助该振荡体例如基于压电效应将电信号转换成超声波且反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声探测器或两者兼而有之。在此，应当确保流体与超声波换能器之间的耦合。常见的解决方案是使超声波换能器伸进管道中与流体直接接触。这种侵入式探针可能会因流动的干扰而给精确测量造成困难。反之，浸入式超声波换能器暴露于流体以及流体的压力和温度下，并因此可能会损坏或因为污染物和沉积物而失去其功能。原则上也已知这些技术，在这些技术中内壁保持完全闭合。实例为例如根据US4467659的所谓的夹合式安装(Clamp-On-Montage)，通过该夹合式安装将超声波换能器从外部固定在管道上。但是如此一来仅可以实现通过管轴线的直径相对的测量路径，由此在非轴向对称的流量剖面上产生额外的误差。此外，由于应被超声波信号穿透的管壁厚度大，因此信噪比减小，并从而使测量系统更易受到干扰。JP2000337940A示出了另一种流量测量设备，其中压电元件接触管道中的孔底部上的管道壁。但为此需要更复杂的多部分式结构，而且探针可能会干扰流动。因此，稳定的测量、足够宽广的发射和简单的换能器结构这些问题没有得到解决。在DE10249542A1中提出将超声波换能器直接应用到与介质接触的功能表面上。通过对功能表面进行倒角并从而对管道进行倒角实现具有在流动方向上的分量的路径取向。由此排除平坦的、连续的管内壁。EP1378727B1提出将产生超声波的元件安装在壁的外侧面上。与夹合式技术不同，在此可以说将超声波换能器集成到壁中。凹部(Tasche)在超声波换能器的区域中被成型，该凹部具有比其余壁小得多的壁厚，并且留存的壁厚形成超声波换能器的膜片(Membran)。该也称之为夹入式的安装在一定程度上是夹合式安装和在管道的内部空间中的固定式安装的中间形式。但换能器结构相当复杂且在发射面较小时宽广的、近似球形的发射至少不能确保较高的频率。在原理上，具有光滑的管内壁和集成到管壁中的超声波换能器的超声波流量计有可能解决迄今为止描述的大部分问题。为了同时实现超声波换能器的简单构造和足够大的发射面，需要管壁中的凹部具有复杂的几何形状，超声波换能器就布置在这些凹部中。但此前存在的实际挑战是制造精度高的且同时成本低廉的这种类型的凹部。在原理上可以通过微铣削生产出精细的结构，其中根据待制造的结构尺寸使用直径小于1毫米的微型铣刀。但接下来为此还需要较长的加工时间，而且在难以切削的材料的情况下工具还磨损得快。其它首先考虑的方法是微铣削结合微焊接、微电火花加工(MicroEDM)、微电化学加工(MicroECM)或激光烧蚀。但是这些方法既不经济又不够精确。另一个本质上已知的、但迄今为止在现有技术中与超声波测量，甚至与换能器凹部的制造无关的制造方法是成型钻孔(Profilbohren)。成型钻孔是用成型工具来钻孔以用于产生旋转对称的内表面，该内表面由工具的主切削刃轮廓来确定。主要使用直径大于3mm的工具来生产成型孔。对于如EP1378727B1中所述的简单几何形状的换能器凹部而言，成型钻孔很可能就没有必要了。DIN8589将成型钻孔归为在钻孔/锪孔/铰孔小组中的切断方法，该小组又属于利用几何特定的切削刃切削的组。成型钻孔的子变型(Untervarianten)为：●成型钻孔到实心体中。钻入实心材料，以用于产生由钻孔工具的主切削刃轮廓确定的旋转对称的成型孔。●成型扩孔。对已有的孔或预加工的孔扩孔，以用于产生由钻孔工具的主切削刃轮廓确定的旋转对称的内表面。●成型锪孔。一种使用成型锪孔工具实施的钻孔方法，以用于产生由钻孔工具的主切削刃轮廓确定的旋转对称的成型沉孔。●成型铰孔。通过铰孔工具以极小的切削厚度进行成型扩孔，以用于产生尺寸和形状精确的、表面光洁度高的成型内表面。由于此背景，本专利技术的任务在于，改进超声波换能器在超声波流量测量装置中的布置。该任务通过根据权利要求1的用于制造超声波流量测量装置的方法得以实现。依据是在开始阐述的夹入式原理。为此，至少一个凹部从外部形成在管道段的管道壁中。管道段通常被用作管道的部分从而使得管道段的横截面优选地与该管道相符合，在运行时待被测量其流量的流体在该管道中流动。将超声波换能器置入凹部中，并且将超声波换能器的振荡体耦合到管道壁的部分区域上。因此，振荡体(例如压电陶瓷)将该部分区域用作膜片。然后，本专利技术以将用于盲孔的钻孔工序用作凹部的制造步骤这一基本思想为出发点。联接件与凹部同时制造，该联接件优选地作为管道壁的部分，该部分在凹部形成过程中保持直立(stehenbleiben)。该联接件在置入超声波换能器之后被布置在膜片与振荡体之间且优选地较薄(dünner)，在实际应用中比振荡体薄得多。因此，振荡体如同印章(Stempel)一样的样式通过联接件安装在管道壁上，而且联接件在膜片与振荡体之间传送超声波。这可以在两个方向上进行，取决于超声波换能器是充当发射器还是接收器。通过这种结构，联接件的尺寸，而非振荡体的尺寸限制了发射面的大小。经此，小的换能器板或有效的膜片以及大的振荡体被同时实现。凹部致使管道壁的形成膜片的部分区域被构造得比其余的管道壁薄得多。相对于凹部的底部和振荡体，联接件在其横截面上是小的。本专利技术首先具有夹入式的所有优点，即具有类似于侵入法那样的高测量精度，但与此同时，其中用于流动的内部空间被保持完全不受干扰。用于超声波换能器的凹部是薄壁的支承结构的一体的组成部分，即管道壁的一体的组成部分。因此，集成到管道壁中的超声波换能器实现非常宽的发射特性，而不是直径相对的测量路径，并且实现对非轴向对称的流动剖面的检测。在此，超声波换能器具有由几个部分构成的简单的结构，并且可小尺寸地批量地、成本低廉地制造。根据本专利技术的制造满足对制造复杂的集成在管道壁中的超声波换能器的高要求。该制造能使生产时间缩短，成本低廉，适合批量生产并确保形状公差和位置公差最严格时加工的可重复性。钻孔工序确保对指向钻孔入口(Bohrungseintritt)的凸出的几何形状(即联接件)进行中心地布置。在此，在小尺寸下还保持容许偏差的情况下，可以以高精度制造出具有复杂的几何形状和特性的凹部。因此，在几何形状方面，特别是联接件长度和联接件宽度或联接件直径(即使具有非对称的高宽比)方面，在膜片的留存壁厚和一般的凹部几何形状(例如球面的被单一弯曲的或被双重弯曲的)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造超声波流量测量装置(10)的方法，其中从外部在管道段(14)的管道壁

【技术特征摘要】
2016.12.07 EP 16202725.41.一种用于制造超声波流量测量装置(10)的方法，其中从外部在管道段(14)的管道壁(22)中制造至少一个用于超声波换能器(18a-b)的凹部(30)，在运行时流体(12)在所述管道段中流动，并且将超声波换能器(18a-b)布置在所述凹部(30)中，其中所述超声波换能器(18a-b)具有振荡体(34)，所述振荡体耦合在所述管道壁(22)的部分区域(32)上，所述部分区域作为所述超声波换能器(18a-b)的可振荡的膜片起作用，其特征在于，所述凹部(30)的制造步骤包括钻孔工序，并且联接件(36)与所述凹部(30)一起制造，所述联接件在置入所述超声波换能器(18a-b)之后布置在膜片和振荡体(34)之间，且所述联接件的横截面小于所述振荡体(34)的横截面。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述钻孔工序包括成型钻孔。3.根据权利要求2所述的方法，其中使用成型钻孔工具，所述成型钻孔工具具有内置的副切削刃，借助所述成型钻孔工具制造所述联接件(36)的侧表面。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中使用成型钻孔工具，所述成型钻孔工具具有内置的横向切削刃，借助该成型钻孔工具制造所述联接件(36)的高度和接触表面。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述钻孔工序包括预钻孔。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述钻孔工序之后进行挤压工序，以便制造出所述凹部(30)的几何形状的最终形状。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述联接件(36)与所述管道壁(22)一体地构成，和/或其中所述凹部(30)的底部形成膜片并且所述联接件(36)被布置在所述底部上。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述联接件(36)具有几毫米的直径和/或高度，特别是最大为2mm的直径和/或高度，和/或其中所述管道壁(22)在所述膜片的区...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·舒尔茨，约尔格·施耐德，托尔斯滕·施密特，
申请(专利权)人：西克工程有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE