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专利名称：基于超声波的测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的类型的基于超声波的测量装置和一种根据权利要求9的类型的基于超声波的测量方法。
背景技术：
在实践中，在多个课题中、例如在无损坏的材料测试的领域中已知将超声波应用于确定例如固体长度。在此，在多种情况下使用所谓的脉冲回波方法(Puis - EchoMethode)，其中根据在将超声波脉冲发出到测量体中和接收例如在测量体的后壁上反射的脉冲回波之间的运行时间来推断出测量体的长度。为此，精确时基需要作为基准用于时间测量，其中就此而言在实践中首先应用石英晶体振荡器。此外，在待检查的物体中的音速必须是已知的或者通过在已知长度和相同材料的物体上的基准测量来确定。然而在所有基于运行时间的距离测量中，温度变化过程成为问题，因为该温度变化过程可能成多倍地超过原本待测量的效果，由此测量值有时可能会被歪曲直至不可用。因此在多种应用中都必须准确地确定测量体的温度直至十分之一或百分之一度。在不能避免的制造参数波动的情况下，要在温度测量装置的整个使用寿命上产生的这种测量精度实际上是不可能的或者仅能在不合理的费用的情况下才能实现。

发明内容
与此相对，本发明的目的在于，对这种测量装置和这种测量方法以下述方式加以改进，即与超声波信号的以温度为条件的测量路段变化或运行时间变化无关的长度测量能以简单的和成本经济的方式实现。所述目的根据本发明通过具有在权利要求1中给出的特征的测量装置来实现。根据本发明，纵向的和横向的超声波信号经过加载了待测量的压力的测量路段。由于声音弹性(akustoelastisch)的效果(机械应力、即压力对声音传播速度的影响)在纵向的和横向的超声波中大小不同，因此在相同的测量压力的情况下获得两个不相关的测量(运行时间)。这使得，能从测量结果中计算出温度沿着对于两个超声波信号相同的测量路段(只要该路段由两个超声波信号近似同时地经过)的干扰影响。由纵向的和横向的运行时间可以通过组合特性曲线来确定在端面上的温度和/或压力。从而，超声波信号在测量路段上的以压力为条件的运行时间变化可以与测量路段的温度变化过程无关地进行检测，由此能以温度补偿的方式并且因此可靠地确定测量压力。由此，对非常小的以压力为条件的变形进行的检测甚至可以在宽的温度范围内实现，如该变形例如在机动车技术领域中随着在那里典型出现的从负40°至正150°的温度而出现。就这点而言，特别是还可以在对喷射系统(例如共轨)或制动设备的液压系统的工作介质压力/设备压力(Betrismitteldruck)进行测量时应用。根据本发明的测量装置特别是具有以下优点-以很少的额外费用进行高精确性的温度补偿；-仅需要单点温度平衡；-附加地获得精确的压力测量和温度测量。根据本发明的测量装置优选包括评估单元，该评估单元借助在端面上反射的纵向的和横向的测量信号的运行时间和运行时间差计算出温度对由测量信号经过的测量路段的影响，并且该评估单元在已知测量体的纵向的和横向的声速的情况下通过相应的压力参考曲线或温度参考曲线(组合特性曲线)来测定在端面上存在的测量压力和/或在端面上存在的测量温度。在另一个方面，本发明还涉及一种具有权利要求9所述特征的所属的超声波测量方法，所述超声波测量方法用于借助脉冲回波确定在测量体上存在的测量压力和/或测量温度。为了经过相同的测量路段，优选尽可能同时或至少几乎同时发出纵向的和横向的超
声波信号。本发明的主题的其它优点和有利的设计方案可以从说明书、附图和权利要求中获
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下面借助在附图中非常示意性地示出的实施例详细阐述本发明。唯一的图1示出根据本发明的基于超声波的测量装置的非常示意性的纵截面图，该测量装置用于确定在高压容器中存在的压力。
具体实施例方式在图1中示出的基于超声波的测量装置1用于间接地对在压力容器2中存在的压力P和/或温度T进行测量。压力容器2例如可以是用于内燃机的燃料喷射系统的燃料高压存储器(共轨)，其中工作压力通常远远超出2000 bar ；或者是制动设备的液压系统的液压容器。测量装置1具有基本上螺旋形的测量体3，该测量体由合适的材料、例如金属或塑料制成，该测量体利用外螺纹固定部段4以压力密封的方式旋入到压力容器2的具有螺纹的容器开口 5中并且利用自由的测量端部6穿过容器开口 5延伸进入到压力容器2中。从而测量端部6加载了在压力容器2中存在的工作压力ρ并且由此相对于其无压力的、以虚线标示的初始状态变形。在测量体3的背离于自由的测量端部6的端面7上布置有超声波发射器8，其用于使纵向的和横向的超声波信号&、&耦合到测量体3中；以及超声波接收器9，其用于对在测量端部6的端面10上反射的超声波测量信号、ST'进行探测。超声波发射器和超声波接收器8，9可以共同由唯一的超声波传感器形成。在被加载压力的测量端部6上反射的测量信号的所测量的测量运行时间取决于经过的测量路段的温度以及在端面10上存在的压力P。由于声音弹性的效果(机械应力、即压力P对声音传播速度的影响)在纵向的和横向的超声波中大小不同，因此对于相同的测量压力P而言，随着纵向的和横向的超声波信号&、sT获得两个不相关的运行时间测量。这使得，能从测量结果中计算出温度沿着对于两个超声波信号相同的测量路段(如果该测量路段由两个超声波信号同时或近似同时经过)的干扰影响。从而，超声波信号在测量路段上的以压力为条件的运行时间变化能与该测量路段的温度特性曲线无关地进行检测。评估单元11与超声波传感器相连接，该评估单元借助反射的纵向的和横向的测量信号、s/的所测量的运行时间和运行时间差、在已知测量体3的纵向的和横向的声速时通过测量压力参考曲线(组合特性曲线)来测定测量压力P。类似地，也可以通过温度参考曲线(组合特性曲线)来测定在测量端部6上存在的测量温度T。如在图1中以虚线示出，测量体3可以具有一个或多个基准面12”122，在这些基准面上，由超声波发射器8发出的超声波信号的一部分分别作为基准信号反射回至超声波接收器9。基准面12^1 例如可以通过在测量体3中的凹口或棱构成。通过由端面10和各个基准面12^1 形成回波的纵向的和横向的运行时间的差，压力ρ和温度T可以在位于之间的区域中被测量；也就不发生该测量值在测量体3的整个长度上的积分。为了使得安装应力对测量路段的影响最小化，测量体3可以具有法兰，该法兰通过紧固螺栓紧固在容器开口 5中并且由该法兰附加地通过凸肩取下测量体3的测量端部6。测量端部6也可以非常深地插入到压力容器2中，以便替代如在图1中示出的那样在边缘上，例如在压力容器2的中心对温度T和/或压力ρ进行测量。如果多个基准面
1 在测量端部6的长度上分布，则可以通过合适地形成运行时间差对在压力容器2内部的多个位置上的压力或温度进行同时测量。
权利要求
1.基于超声波的测量装置(1)，具有测量体(3)；至少一个超声波发射器(8)，所述超声波发射器用于使超声波测量信号耦合到所述测量体(3)中；和至少一个超声波接收器(9)，所述超声波接收器用于探测在所述测量体(3)的端面(10)上反射的超声波测量信号，其特征在于，所述至少一个超声波发射器(8)不仅发射纵向的而且发射横向的测量信号(&、&)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量体(3)具有至少一个基准面(1 ^ )，在所述基准面上，由所述超声波发射器(8)发出的测量信号的一部分作为基准信号反射回至所述超声波接收器(9 )。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述测量体(3)具有多个在所述测量体(3)的长度上分布的基准面(U1UA)，在所述基准面上，由所述超声波发射器(8)发出的测量信号的一部分分别作为基准信号反射回至所述超声波接收器(9)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于评估单元(11)，所述评估单元借助在所述端面(10)上反射的、纵向的和横向的测量信号(SJ ,S/ )的运行时间和运行时间差、当确定在所述端面(10)上存在的测量压力(ρ)和/或在所述端面(10)上存在的测量温度(T)时考虑物理干扰量对由所述测量信号经过的测量路段的影响。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元(11)借助在所述端面(10)上和在至少一个基准面(U1UA)上反射的、纵向的和横向的测量信号( '>ST')之间的运行时间的差来确定在所述端面(10)和至少一个基准面(14、1 )之间存在的测量压力(P)和/或存在的测量温度(τ)。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元(11)借助在所述端面(10)上和多个在所述测量体(6)的长度上分布的基准面(U1UA)上反射的、纵向的和横向的测量信号( ' , S/ )之间的运行时间的差来确定在所述测量体(6)的多个点上存在的测量压力(P)和/或存在的测量温度(T)。
7.特别是用于内燃机的燃料喷射系统或制动设备的液压系统的压力容器(2)，所述压力容器具有布置在所述压力容器(2)上的、根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)，其中测量体(3)利用具有端面(10)的测量端部(6)插入到所述压力容器(2)中。
8.根据权利要求7所述的压力容器，其特征在于，所述测量体(3)的所述测量端部(6)被加载在所述压力容器(2)中存在的压力(ρ)和/或经受在所述压力容器(2)中存在的温度⑴。
9.超声波测量方法，用于借助脉冲回波来确定在测量体(3)上存在的测量压力(ρ)和/或测量温度(T)，其中对耦合到所述测量体(3)中的超声波测量信号的运行时间进行测量直至接收到在所述测量体(3)的端面(10)上反射的超声波测量信号，其特征在于，发出纵向的和横向的测量信号(&、&)，并且借助在所述端面(10)上反射的、纵向的和横向的测量信号(SJ , S/ )的运行时间和运行时间差，当计算出在所述端面(10)上存在的测量压力(P)和/或在所述端面(10)上存在的测量温度(τ)时，来考虑物理干扰量对由所述测量信号经过的测量路段的影响。
10.根据权利要求9所述的超声波测量方法，其特征在于，借助在所述端面(10)上和在至少一个基准面(1&、1忑)上反射的、纵向的和横向的测量信号(SJ ,S/ )之间的运行时间的差来确定在所述端面(10)和至少一个基准面(14、122)之间存在的测量压力(P)和/或存在的测量温度(T)。
11.根据权利要求9或10所述的超声波测量方法，其特征在于，借助在所述端面(10)和多个在所述测量体(6)的长度上分布的基准面(1&、122)上反射的、纵向的和横向的测量信号(SJ , S/ )之间的运行时间的差来确定在所述测量体(6)的多个点上存在的测量压力(P)和/或存在的测量温度(T)。
全文摘要
本发明涉及一种基于超声波的测量装置(1)，所述测量具有测量体(3)；至少一个超声波发射器(8)，所述超声波发射器用于使超声波测量信号耦合到所述测量体(3)中；和至少一个超声波接收器(9)，所述超声波接收器用于探测在所述测量体(3)的端面(10)上反射的超声波测量信号，根据本发明至少一个超声波发射器(8)不仅发射纵向的而且发射横向的测量信号(SL、ST)。借助在端面(10)上反射的纵向和横向的测量信号(SL′、ST′)的运行时间和运行时间差，当确定在端面(10)上存在的测量压力(p)和/或在端面(10)上存在的测量温度(T)时，可以考虑物理干扰量对由测量信号经过的测量路段的影响。
文档编号G01K11/24GK102564680SQ201110426180
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月19日 优先权日2010年12月20日
发明者F.亨里西, F.沙茨, G.弗利克, G.比肖平克, J.格拉夫 申请人:罗伯特·博世有限公司