CN102087129B - 用于确定管道中的流体的流量特性的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于确定管道中的流体的流量特性的设备，包括管道体(10)、限定第一涡旋感测声波路径(20)的第一对第一超声波变换器(16，18)、限定第二涡旋感测声波路径(28)的第二对第二超声波变换器(24，26)、第三对第三超声波变换器(30，32)以及第四对第四超声波变换器(36，38)，变换器(16，18；24，26；30，32；36，38)能够单独用作发射机和接收机以沿着各自的声波路径发送超声波和接收超声波，所述设备还包括用于测量所发送的超声波的通行时间并用于根据所测量的通行时间确定流量特性的部件(42，44)。

Description

用于确定管道中的流体的流量特性的设备和方法

技术领域

本发明涉及超声波流量测量，特别地，涉及用于测量例如管道中的流体的流速和/或吞吐量等流量特性的设备和方法。

背景技术

在管道中流动的流体的超声波流量测量在本领域中是公知的。主要地，其包括在发射机和接收机之间发送超声波(ultrasonic sound wave)，在管道的轴向上、在流体流动的下行(downstream)方向上及在流体流动的上行(upstream)方向上将发射机和接收机隔开。测量超声波的通行时间。通过下行方向的超声波和上行方向的超声波的通行时间的差别，可以基于管道的已知几何结构来计算平均流速或吞吐量。该流体是例如天然气等气体、水蒸气或液体。

除了流速，所测量的通行时间还依赖于管道中的流体的流动剖面。涡旋、横流(cross flow)、剖面不对称及速度随时间波动是理想流动剖面的已知的畸变，在弯曲等之后，该种畸变实际上经常发生，例如发生在复杂的管道系统结构中。

所测量和计算的流速的最终可靠性依赖于许多参数，如所覆盖的距离、声波路径配置、所传送的超声波类型及计算方法本身。现有技术中已知许多声波路径配置。

已知的声波路径配置之一是具有中间半径弦(midradius chord)的三角形路径，其中，由发射机发射的超声波在由接收机接收之前在内侧管道壁上反射两次。例如，US-A-5，546,812已经公开了一种用于确定通道中的介质的流动特性的方法和设备，包括限定了对于涡旋确定的互相偏移的两个三角形路径以及对于不对称确定的也互相偏移的三个单个的反射轴路径的变换器装置。根据该专利的商业上可利用的流量仪表中，第一三角形路径具有顺时针方向的取向，第二三角形路径具有逆时针方向的取向。

然而，从例如EP0 843 160A1知道的另一路径配置包括通过管道的中心的至少一个第一路径、所述的三角形形式的至少一个第二路径及具有相对于管道壁的三次或更多次反射的至少一个第三路径。该已知路径配置用于获取与理想的权重因子尽可能接近的用于计算流速/吞吐量的合成的权重因子的曲线。据说可以达到将不准确性降低到大约0.15％。

关于测量结果的准确性和可靠性的要求仍然在增加。经常地，如果可以提高准确性和可靠性，则也伴随着不成比例增加的设备的复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种在允许设备的相对简单的设计的同时，允许增加询问区域以及增加在管道中流动的流体的实际流动剖面的信息搜集的超声波流量测量设备和方法。

本发明的另一目的是提供一种以最小数量的变换器而具有关于准确性和可靠性的优秀性能的超声波流量测量设备。

在权利要求1中限定根据本发明的设备。在从属权利要求中限定优选实施例。

用于确定流量特性的设备包括管道体，流量特性特别地是在管道中流动的流体的流速和/或吞吐量。在通常具有环形截面的管道体的外壁上或外壁内设置超声波变换器。根据本发明的设备包括第一组变换器。轴向间隔开的变换器能够沿着第一涡旋感测声波路径(相关变换器之间的轨迹，不考虑沿着轨迹发送的声波的方向、上行或下行)传送超声波。从而，第一涡旋感测声波路径具有轴向分量。第二组变换器限定第二涡旋感测声波路径，并且第二组变换器与第一组变换器呈现在管道体的相同侧。由于变换器的间隔要求，实际上，都平行于管道体轴的第一对准线和第二对准线关于第二对变换器中的变换器在切线上偏移小的距离。优选地，第一和第二线位于相同的位置。这样布置变换器，以使得从轴向方向看第一和第二声波路径共同具有顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)。在该应用中，该种涡旋感测声波路径对也被称为成对路径。

为了增加询问区域，根据本发明的设备还包括在直径上和轴向上偏移的变换器之间限定具有单反射的第三声波路径的第三对超声波变换器。通过限定对称于第三声波路径的第四声波路径的第四对超声波变换器提供配对的变换器。换句话说，第三和第四路径共同具有分别从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向的取向。比优选的涡旋感测路径与管道壁更接近设置的这些“半个四边形”路径(对于作为优选的涡旋感测路径的等边三角形路径，0.707^*管道半径相比0.5^*管道半径)特定地允许获取关于流动剖面的锐度的信息(例如，穿过管道的横截面区域的轴向速度分量)并且覆盖管道截面的额外的区域。此外，该配置允许另外的涡旋角测量。

代替具有其自身的变换器对的每一个半个四边形路径，第三和第四路径优选地具有公共的变换器组。同样适用于第一和第二路径。相控阵列类型的变换器特别适合该用途。该种变换器能够将声音能量集中到某个方向。更佳地，该四个路径具有至少一个公共变换器。换句话说，该四个路径具有一个公共端，涡旋感测路径具有公共的另一端，半个四边形路径具有与涡旋感测路径的另一端沿直径相对地设置的、公共的相对(opposite)的另一端。当由四个路径中的至少一个公共变换器发射声音猝发(burst)时，由作为发射变换器在管道的相同侧上设置的第一和第二对中的相应的变换器接收经过第一和第二路径的猝发信号，同时由沿直径相对(diametrically opposite)于其它接收变换器设置的第三和第四对中的相应变换器接收沿着半个四边形路径行进的猝发信号。以这种方式，与完整的四边形路径相比较，消除了所接收到的信号之间的干扰的风险。完整的四边形路径在管道体的相同侧上终止作为涡旋感测路径，另外地，沿着三角形路径和完整的四边形路径的通行时间互相非常接近。从而，在该种情况下所接收到的信号的干扰非常容易发生。

另外，在根据本发明的设备的另一优选实施例中，在与第一和第二对变换器相对一侧的管道体壁上设置限定涡旋感测第五声波路径的第五对超声波变换器和限定涡旋感测第六声波路径的第六对超声波变换器。沿着假想线将各个第五和第六对中的变换器对准，优选地，如关于第一和第二对变换器所说明的，这些线重叠。第五和第六涡旋感测声波路径共同具有CW和CCW取向并且形成第二组成对路径。优选地，布置变换器以使第二组成对路径对称于包括第一和第二涡旋感测声波路径的第一组成对路径。此外，这些对中的变换器被轴向隔开，从而各个声波路径具有轴向分量。

更优选地，根据本发明的设备还包括第七和第八对变换器。互相沿直径相对地设置第七对中的变换器，从而第七声波路径包括单反射(半个四边形配置)。类似地布置第八对变换器，从而两个半个四边形路径一起限定完整的四边形。第七和第八路径共同分别具有从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向取向。优选地，第七和第八对中的变换器沿直径相对于第三和第四对中的变换器。

如前所述，有利地，各种声波路径可以共享公共的变换器。更特定地，第七和第八声波路径有利地具有公共变换器。第五、第六、第七和第八对优选地具有至少一个公共变换器。

通过变换器的适当配置，可以提供其中仅使用两对超声波变换器就可以获得第八路径配置的设备。

在另一优选实施例中，涡旋感测声波路径包括等边三角形声波路径。

使用多个相控阵列变换器可以包括在相同变换器位置上的直的或具有一个或多个反射的另外的路径，例如轴向路径。

根据本发明还提供一种通过传送并接收沿着设备的声波路径的相对方向中的超声波、测量所传送的超声波的通行时间并根据所测量的通行时间确定流量特性，测量管道中的流体的流量特性的方法，该流量特性特别地是流速，该设备用于根据前述的本发明确定流量特性。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定管道中的流体的流量特性的设备。所述设备包括管道体10、沿着管道体10壁14上的第一线对准并限定第一涡旋感测声波路径20的第一对第一超声波变换器16，18、沿着管道体10壁14上的第二线对准并限定第二涡旋感测声波路径28的第二对第二超声波变换器24，26、第三对第三超声波变换器30，32和第四对第四超声波变换器36，38，第一和第二线平行于管道体轴并位于管道体10的相同侧，第一和第二涡旋感测声波路径20，28分别具有从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向的取向，在管道体10壁14上沿直径彼此相对地设置第三对第三超声波变换器中的第三变换器30，32并且在轴向方向上将变换器30，32隔开，以使得第三对第三超声波变换器30，32限定具有相对于管道体10内壁12单反射的第三声波路径34，在管道体10壁14上沿直径彼此相对地设置第四对第四超声波变换器中的第四变换器36，38并且在轴向方向上将变换器36，38隔开，以使得第四对第四超声波变换器36，38限定第四声波路径40，第四声波路径40对称于第三声波路径34，在管道体10的轴向方向上相隔布置每一对变换器16，18；24，26；30，32；36，38，声波路径20，28，34，40在管道体10的轴向方向上延伸，其中，变换器16，18；24，26；30，32；36，38能够单独用作发射机和接收机以沿着各自的声波路径发送超声波和接收超声波，所述设备还包括用于测量所发送的超声波的通行时间并用于根据所测量的通行时间确定流量特性的部件42，44。

根据本发明的另一方面，提供了一种测量管道中的流体的流量特性的方法，该方法包括通过沿着根据上述的确定流量特性的设备的声波路径的相对方向发送和接收超声波，测量所发送的超声波的通行时间并根据所测量的通行时间确定流量特性。

附图说明

参考附图，将更具体地说明本发明，其中：

图1是根据本发明的设备的实施例的纵向截面；

图2是图1中的实施例的轴向视图；

图3是图1中的实施例的立体视图；

图4根据本发明的设备的另一实施例的立体视图。

具体实施方式

图1-3示意性地示出根据本发明的流量仪表的实施例。该流量仪表包括具有内壁12和外壁14的圆柱形管道体10。例如天然气等流体流过管道体10的内部。由箭头表示流动的方向。在管道体10的左侧22并在管道体10的一半高度上分别布置第一对第一变换器16和18。沿着平行于管道轴的假想的对准线来对准变换器16和18，并以距离I将变换器16和18在轴向上间隔开。第一变换器16和18限定在轴向方向上伸展的等边三角形形状的涡旋感测声波路径20。从而，由第一变换器16和18中的任意一个传送的超声波在由第一变换器对中的其它一个接收之前相对于内壁12反弹两次。第二对第二变换器24和26也位于管道体10的相同侧20，第二对第二变换器24和26限定涡旋感测第二声波路径28，涡旋感测第二声波路径28也具有在轴向方向上伸展的等边三角形形状。在如所示出的优选情况下，第一变换器和第二变换器16，24和18，26分别处于相同的位置。在各个位置上使用单个的多面或相控阵列类型的变换器将几乎完全逼近该理想的情况。分别这样布置变换器16，24和18，26，从而使各个路径20和28具有如在轴向投影上看到的顺时针方向和逆时针方向的取向。为了清楚，在图2的轴向投影中分离地示出重叠的声波路径20和28。在直径上互相相对并且轴向上偏离距离I的位置上对管道体10的壁14设置第三对第三变换器30，32。第三对第三变换器30，32限定单反射第三声波路径(“半个四边形”)34。类似地设置第四对第四变换器36，38，并且第四对第四变换器36，38限定具有相对于内壁12的单反射的第四声波路径40。第三和第四声波路径34，40是对称的(在该情况下，沿由变换器对和管道体轴限定的水平镜面对称)。用于控制控制超声波的传送和猝发(burst)的、包括计时电路(未分离地示出)的控制部件42被连接到变换器以及测量部件44和计算部件46，测量部件44用于根据从变换器接收到的信号测量通行时间，计算部件46用于计算例如流速等流体的流量特性。这些设备部件仅在图2中示出。

成对的涡旋感测声波路径20和28允许涡旋的准确确定，但是如果流体具有不对称的流动剖面，例如在管道体的右半部分(正的x轴)中具有较高的速度，则可能造成平均流速的低的读数(underreading)或高的读数(overreading)。此外，涡旋感测声波路径20和28不延伸到管道体的右半部分。覆盖了管道截面的另外的区域的半个四边形的声波路径34，40提供关于流动剖面的另外的信息，从而能够更准确地确定和计算流速。

如果四个路径的某一端位于相同的位置，则通过单个的多相控阵列类型的变换器来提供各个变换器16，24，30，36。

图4示出根据本发明的8-路径流量仪表的优选实施例。与图1-3中的相同的部件具有相同的参考标记并且不需要再进行说明。本优选实施例包括在管道体110的右手侧上轴向间隔开布置的、直径上相对于第一和第二对变换器的第五对第五变换器48，50和第六对第六变换器52，54。第五变换器48，50限定镜向对称于第一路径20的涡旋感测第五声波路径56。第六变换器52，54共同限定镜向对称于第二声波路径28的涡旋感测第六声波路径58。在思想上地，单反射声波路径34，40具有镜向对称的相对部分。这就是说，在上行的第五和第六变换器48，52和下行的第一和第二变换器18，26的位置上分别设置第七对第七变换器60，62。类似地布置第八对第八变换器64，66。第七和第八个半个四边形路径68和70共同形成完整的四边形。

在具有完全对称和半个四边形路径设计的该优选实施例中，通过使用单个的多面或相控阵列类型的变换器的4个变换器位置优选地提供所有的8个路径。

Claims (11)

1.一种用于确定管道中的流体的流量特性的设备，所述设备包括管道体（10）、沿着管道体（10）壁（14）上的第一线对准并限定第一涡旋感测声波路径（20）的第一对第一超声波变换器（16，18）、沿着管道体（10）壁（14）上的第二线对准并限定第二涡旋感测声波路径（28）的第二对第二超声波变换器（24，26）、第三对第三超声波变换器（30，32）和第四对第四超声波变换器（36，38），

第一和第二线平行于管道体轴并位于管道体（10）的相同侧，第一和第二涡旋感测声波路径（20，28）分别具有从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向的取向，在管道体（10）壁（14）上沿直径彼此相对地设置第三对第三超声波变换器中的第三变换器（30，32）并且在轴向方向上将第三变换器（30，32）隔开，以使得第三对第三超声波变换器（30，32）限定具有相对于管道体（10）内壁（12）单反射的第三涡旋感测声波路径（34），在管道体（10）壁（14）上沿直径彼此相对地设置第四对第四超声波变换器中的第四变换器（36，38）并且在轴向方向上将第四变换器（36，38）隔开，以使得第四对第四超声波变换器（36，38）限定第四涡旋感测声波路径（40），第四涡旋感测声波路径（40）对称于第三涡旋感测声波路径（34），在管道体（10）的轴向方向上相隔布置每一对变换器（16，18；24，26；30，32；36，38），每个涡旋感测声波路径（20，28，34，40）在管道体（10）的轴向方向上延伸，其中，每个变换器（16，18；24，26；30，32；36，38）能够单独用作发射机和接收机以沿着各自的涡旋感测声波路径发送超声波和接收超声波，

所述设备还包括用于测量所发送的超声波的通行时间并用于根据所测量的通行时间确定流量特性的部件（42，44）。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，第三和第四涡旋感测声波路径（34，40）中的第三和第四变换器（30，32；36，38）分别是单个的多面变换器。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，第一和第二涡旋感测声波路径（20，28）中的第一和第二变换器（16，18；24，26）分别是单个的多面变换器。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，四个涡旋感测声波路径（20，28，34，40）具有至少一个单个的多面变换器。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括沿着管道体壁（14）上的第五线对准并限定第五涡旋感测声波路径（56）的第五对第五超声波变换器（48，50）以及沿着管道体（10）壁（14）上的第六线对准并限定第六涡旋感测声波路径（58）的第六对第六超声波变换器（52，54），第五和第六线平行于管道体轴并且分别位于与第一对第一超声波变换器和第二对第二超声波变换器中的第一和第二变换器（16，18；24，26）侧相对的管道体（10）的相同侧，第五和第六涡旋感测声波路径（56，58）分别具有从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向的取向，在管道体（10）的轴向方向上隔开地分别布置第五对第五超声波变换器和第六对第六超声波变换器中的第五和第六变换器（48，50；52，54），第五和第六涡旋感测声波路径（56，58）在管道体（10）的轴向方向上延伸。

6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括第七对第七超声波变换器（60，62）和第八对第八超声波变换器（64，66），在管道体（10）壁（14）上沿直径彼此相对地设置第七对第七超声波变换器中的第七变换器（60，62）并且在轴向方向上将第七变换器（60，62）隔开，以使得第七变换器（60，62）限定具有相对于管道体（10）壁（14）单反射的第七涡旋感测声波路径（68），沿直径彼此相对地设置第八对第八超声波变换器中的第八变换器（64，66）并且在轴向方向上将第八变换器（64，66）隔开，以使得第八变换器（64，66）限定第八涡旋感测声波路径（70），第八涡旋感测声波路径（70）对称于第七涡旋感测声波路径（68）。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，沿直径与第三对第三超声波变换器和第四对第四超声波变换器中的第三和第四变换器（30，32；36，38）相对地分别布置第七对第七超声波变换器和第八对第八超声波变换器中的第七和第八变换器（60，62；64，66）。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，在所述设备具有完全对称和半个四边形路径的情况下，如果第一到第八涡旋感测声波路径（20，28，34，40，56，58，68，70）中的四个涡旋感测声波路径（20、28、34、40）的一端位于相同的位置，则由两对相控阵列类型的变换器限定第一到第八涡旋感测声波路径（20，28，34，40，56，58，68，70）。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，第一和第二涡旋感测声波路径（20，28，56，58）包括三角形涡旋感测声波路径。

10.根据权利要求5所述的设备，其中，第五和第六涡旋感测声波路径包括三角形涡旋感测声波路径。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流量特性是流速和/或吞吐量。