CN103575378A - 超声楔以及用于确定其中的声速的方法 - Google Patents
超声楔以及用于确定其中的声速的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103575378A CN103575378A CN201310302256.3A CN201310302256A CN103575378A CN 103575378 A CN103575378 A CN 103575378A CN 201310302256 A CN201310302256 A CN 201310302256A CN 103575378 A CN103575378 A CN 103575378A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- wedge
- transducer
- tested object
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 19
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 18
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 18
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 10
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 5
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 claims description 4
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 claims description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 46
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 43
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 6
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000004963 Torlon Substances 0.000 description 1
- 229920003997 Torlon® Polymers 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004444 near reflex Effects 0.000 description 1
- 229920003223 poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) Polymers 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/662—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
- G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
公开一种楔以及用于确定楔中的声速的方法。该楔包括反射壁，以及配置成使得超声换能器所传送的主要超声信号的一部分被反射并且通过楔回传到超声换能器。声速能够基于楔中的主要超声信号和反射超声信号所传播的距离和飞越时间来确定。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及超声流率测量（ultrasonic flow rate measurement），以及更具体来说，涉及外部钳制超声楔（ultrasonic wedge）以及用于确定超声楔中的声速的方法。
背景技术
超声流量计（ultrasonic flow meter）用于确定管道或者其它测试对象中流动的多种流体(例如液体、气体等)的流率。在采用渡越时间流量计量（transit time flow metering）的一种类型的超声流量计中，一对超声换能器附连到管道壁的外部，其中超声换能器位于彼此的上游和下游，从而形成它们之间的超声通路。各超声换能器通过管道中流动的流体沿超声通路传送由其它超声换能器来接收和检测的超声信号(例如声波)。沿超声通路的流体的速度能够作为下列时间之间的差的函数来确定：(i) 超声信号沿超声通路逆着流动方向从下游超声换能器向上游传播到上游超声换能器的渡越时间，以及(2) 超声信号沿超声通路以流动方向从上游超声换能器向下游传播到下游超声换能器的渡越时间。
在一些超声流率测量应用中，超声换能器安装到超声楔，超声楔钳制到管道壁上。为了测量流体的流率，在一个示例中，测量超声换能器对之间的总飞越时间（time of flight），其包括通过超声楔、管道壁和流体的飞越时间。为了确定通过流体的飞越时间，通过管道壁和超声楔的飞越时间还必须被确定并且然后从总飞越时间中减去，从而要求了解管道壁中和超声楔中的声速。
虽然通常由不锈钢制成的管道壁中的声速相对地是温度无关的(即，声速不会随管道壁的温度发生变化而显著变化)，但是通常用于超声楔的塑性材料中的声速是温度相关的，因为那些塑料中的声速与塑料的总体温度极大地相关。例如，塑料超声楔中的声速在塑料超声楔的温度较高时更慢。
塑料超声楔的温度相关性所引起的不同声速在没有纠正时引起不准确的飞越时间测量和流率误差。例如，所测量总飞越时间在超声楔的温度较高时(例如，在白天的沙漠户外或者当流体在高温下流动从而升高超声楔的温度时)将比相同超声楔的温度较低时(例如，在夜间的沙漠户外或者当流体在低温下流动从而降低超声楔的温度时)所测量的飞越时间会更长。这将产生不同的测量流率，即使流体对两种测量实际上以相同流率进行传播。
为了考虑超声楔中的温度变化，一些超声换能器的超声楔包括插入温度探头，以便测量超声楔的温度并且基于那个测量温度来确定声速(例如使用查找表)。虽然这个温度探头提高飞越时间测量的精度，但是它增加超声换能器的成本和复杂度。另外，温度探头仅提供超声楔的单个点处的温度，这会提供错误飞越时间校正。
在其它超声换能器中，延长声耦合器用于耦合来自超声换能器和管道壁的超声信号，其中声耦合器包括离开主要超声通路的槽(slot)，通常至少一个波长宽。这个槽设计成产生回波，从而允许确定通过声耦合器的飞越时间以校正声速变化。由于要求这个槽对于较低超声频率信号(例如500 kHz)宽至一个波长(例如4 mm至6 mm)宽，所以槽会不利地影响主要超声通路上传播的主要超声信号，并且导致不准确的飞越时间测量。
以上论述只是为了提供一般背景信息，而不是意在用作帮助确定要求保护主题的范围。
发明内容
公开一种楔以及用于确定超声楔中的声速的方法。超声楔包括反射壁，以及配置成使得超声换能器所传送的主要超声信号的一部分被反射并且通过超声楔回传到超声换能器。声速能够基于超声楔中的主要超声信号和反射超声信号所传播的距离和飞越时间来确定。在超声楔的一些所公开实施例的实施中可实现的优点在于，能够校正温度变化导致的超声楔中的声速的变化所引起的不准确飞越时间测量，从而产生更准确的流率测量。
在一个实施例中，公开一种用于把来自超声换能器的超声信号耦合到测试对象的楔。该楔包括：测试对象界面壁，配置用于将超声信号耦合到测试对象；第一平面，垂直于测试对象界面壁而延伸；换能器界面壁，配置用于将超声换能器安装到楔，换能器界面壁定向成使得从超声换能器所传送的主要超声信号形成相对于第一平面的第一角度，并且以相对于第一平面的反射角来反射主要超声信号的一部分，其中第一角度等于反射角；以及反射壁，定向成使得垂直于反射壁的第二平面形成与第一平面的第二角度，其中第二角度等于第一角度，并且其中反射超声信号垂直于反射壁。
在另一个实施例中，该楔包括：顶壁；以及第一侧壁，其中换能器界面壁的第一端接近测试对象界面壁的第一端，换能器界面壁的第二端接近顶壁的第一端，顶壁的第二端接近反射壁的第一端，反射壁的第二端接近侧壁的第一端，并且侧壁的第二端接近测试对象界面壁的第二端。
在又一个实施例中，公开一种用于确定耦合到测试对象的楔中的声速的方法。该方法包括下列步骤：把来自超声换能器的主要超声信号传送到楔中；通过楔将主要超声信号的一部分反射回超声换能器；测量楔中的主要超声信号和反射超声信号的飞越时间；以及基于楔中的主要超声信号和反射超声信号的飞越时间和所传播的距离来确定楔的声速。
按照本发明的第一实施例，提供一种用于把来自超声换能器的超声信号耦合到测试对象的楔，所述楔包括：
测试对象界面壁，配置用于将所述超声信号耦合到所述测试对象，第一平面垂直于所述测试对象界面壁而延伸；
换能器界面壁，配置用于将所述超声换能器安装到所述楔，所述换能器界面壁定向成使得从所述超声换能器所传送的主要超声信号形成相对于所述第一平面的第一角度，并且以相对于所述第一平面的反射角来反射所述主要超声信号的一部分，其中所述第一角度等于所述反射角；以及
反射壁，定向成使得垂直于所述反射壁的第二平面形成与所述第一平面的第二角度，其中所述第二角度等于所述第一角度，并且其中所反射超声信号垂直于所述反射壁。
按照第一实施例的楔，其中，所述反射壁是平面的。
按照第一实施例的楔，其中，所述反射壁是弯曲的。
按照第一实施例的楔，还包括：
顶壁，以及
第一侧壁，
其中所述换能器界面壁的第一端接近所述测试对象界面壁的第一端，所述换能器界面壁的第二端接近所述顶壁的第一端，所述顶壁的第二端接近所述反射壁的第一端，所述反射壁的第二端接近所述侧壁的第一端，并且所述侧壁的第二端接近所述测试对象界面壁的第二端。
按照第一实施例的楔，还包括与所述第一侧壁相对的第二侧壁，其中所述第二侧壁处于所述换能器界面壁与所述测试对象界面壁之间。
按照第一实施例的楔，其中，所述楔包括塑料，其中所述塑料中的声速是温度相关的。
按照第一实施例的楔，其中，所述塑料是聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮中之一。
按照本发明的第二实施例，提供一种用于把来自超声换能器的超声信号耦合到测试对象的楔，所述楔包括：
测试对象界面壁，配置用于将所述超声信号耦合到所述测试对象，第一平面垂直于所述测试对象界面壁而延伸；
换能器界面壁，配置用于将所述超声换能器安装到所述楔，所述换能器界面壁定向成使得从所述超声换能器所传送的主要超声信号形成相对于所述第一平面的第一角度，并且以相对于所述第一平面的反射角来反射所述主要超声信号的一部分，其中所述第一角度等于所述反射角；以及
反射壁，定向成使得垂直于所述反射壁的第二平面形成与所述第一平面的第二角度，其中所述第二角度等于所述第一角度，并且其中所反射超声信号垂直于所述反射壁；
顶壁，以及
第一侧壁，
其中所述换能器界面壁的第一端接近所述测试对象界面壁的第一端，所述换能器界面壁的第二端接近所述顶壁的第一端，所述顶壁的第二端接近所述反射壁的第一端，所述反射壁的第二端接近所述侧壁的第一端，并且所述侧壁的第二端接近所述测试对象界面壁的第二端。
按照第二实施例的楔，其中，所述反射壁是平面的。
按照第二实施例的楔，其中，所述反射壁是弯曲的。
按照第二实施例的楔，还包括与所述第一侧壁相对的第二侧壁，其中所述第二侧壁处于所述换能器界面壁与所述测试对象界面壁之间。
按照第二实施例的楔，其中，所述楔包括塑料，其中所述塑料中的声速是温度相关的。
按照第二实施例的楔，其中，所述塑料是聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮中之一。
按照本发明的第三实施例，提供一种用于确定耦合到测试对象的楔中的声速的方法，所述方法包括下列步骤：
把来自超声换能器的主要超声信号传送到所述楔中；
通过所述楔将所述主要超声信号的一部分反射回所述超声换能器；
测量所述楔中的所述主要超声信号和所反射超声信号的飞越时间；以及
基于所述超声楔中的所述主要超声信号和所述反射超声信号的所述飞越时间和所传播的距离来确定所述楔的声速。
按照第三实施例的方法，还包括基于所述楔的声速和所述楔中的所述主要超声信号所传播的距离来确定所述楔中的所述主要超声信号的飞越时间的步骤。
按照第三实施例的方法，其中
所述传送步骤包括在第一主要超声通路上沿第一方向将所述主要超声信号传送到所述楔的测试对象界面壁，使得所述第一主要超声通路形成与垂直于所述测试对象界面壁的第一平面的第一角度；以及
所述反射步骤包括：
在离开所述测试对象界面壁的反射超声通路上沿第二方向从所述测试对象界面壁反射所述主要超声信号的一部分，使得所述反射超声通路形成与垂直于所述测试对象界面壁的所述第一平面的反射角，其中所述反射角等于所述第一角度；
在所述反射超声通路上沿第三方向从所述楔的反射壁将所述反射超声信号进一步反射到所述测试对象界面壁，其中所述第三方向与所述第二方向相反；以及
在离开所述测试对象界面壁的所述第一主要超声通路上沿第四方向从所述测试对象界面壁将所述反射超声信号进一步反射到所述超声换能器，其中所述第四方向与所述第一方向相反。
按照第三实施例的方法，还包括确定所述测试对象中流动的流体的流率的步骤，其中所述流率基于所述楔的声速来确定。
本发明的该简要描述仅意在根据一个或多个说明性实施例来提供本文所公开主题的简要概述，而不是用作解释权利要求或者限定或限制仅由随附权利要求来限定的本发明的范围的指南。提供该简要描述以便以简化形式对以下详细描述中进一步描述的概念的说明性选择进行介绍。该简要描述并不旨在标识要求保护主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作帮助确定要求保护主题的范围。要求保护主题并不局限于解决背景中所指出的任何或全部缺点的实现。
附图说明
为了能够理解本发明的特征的方式，本发明的详细描述可通过参照某些实施例进行，其中一些在附图中示出。然而要注意，附图仅示出本发明的某些实施例，因此将不能被视为对其范围的限制，因为本发明的范围包含其它同样有效的实施例。附图不一定按照比例绘制，一般着重于示出本发明的某些实施例的特征。附图中，相似的标号用于在各个视图中通篇表示相似的部分。因此，为了进一步理解本发明，可参照结合附图一起阅读的以下详细描述，附图包括：
图1部分以截面示出安装在管道上、采用渡越时间流量计量来确定流体的流率的示范超声流量计；
图2是示出耦合到管道的示范超声楔的图1的示范超声流量计的一部分的放大视图；以及
图3是用于确定超声楔中的声速的示范方法的流程图。
具体实施方式
图1示出安装在管道20上、采用渡越时间流量计量来确定流体的流率的示范超声流量计100。图2是示出耦合到管道20的示范上游超声楔110的图1的示范超声流量计100的一部分的放大视图。虽然示范超声流量计100用于测量管道20中流动的流体的流率，但是将会理解，能够使用其它测试对象。基于流动方向10，第一超声换能器130能够安装在管道20上的第二超声换能器230的上游。通过流体的主要超声通路153能够通过管道20的中心轴或者在弦通路(即，没有通过管道20的中心轴的通路)上。各超声换能器130、230通过流动流体来传送超声信号，超声信号由另一超声换能器230、130来接收和检测。
为了简洁起见，图1和图2仅示出超声信号在单个通路上沿一个方向从第一超声换能器130传送给第二超声换能器230，但是在典型超声流量计中，还会存在超声信号从第二超声换能器230传送到第一超声换能器130或者沿多个通路传送。另外，在未示出的另一个实施例中，超声换能器130、230能够位于管道20的同一侧，其中超声信号从管道20的相对侧反射。
虽然图1示出形成单个主要超声通路153的单个超声换能器对130、230，但是本领域的技术人员将会理解，各形成独立超声通路的两对或更多对超声换能器能够用于形成多路超声流量计。另外，虽然超声换能器对130、230示为钳制到管道20上的斜束(angle beam)超声换能器，但是将会理解，能够使用其它配置的其它超声换能器。
沿通过流体的主要超声通路153所平均的流体的通路速度(Vp)能够作为超声信号的上游渡越时间(tup)(即，超声信号沿通过流体的主要超声通路153逆着流动方向10从第二超声换能器230向上游传播到第一超声换能器130的时间)与下游渡越时间(tdn)(即，超声信号沿通过流体的主要超声通路153以流动方向10从第一超声换能器130向下游传播到第二超声换能器230的时间)之间的差的函数来确定。在流体流动存在的情况下，以流动方向10进行传播的下游渡越时间(tdn)比逆着流动方向10进行传播的上游渡越时间(tup)更快(或者更短)。
由于渡越时间差(Δt)与流体的通路速度(Vp)成比例，所以沿通过流体的主要超声通路153所平均的流体的通路速度(Vp)能够作为渡越时间差(Δt)以及如图1和图2所示的诸如管道20内径(D)、通过流体的超声通路长度(PF)、通过流体的主要超声通路153与垂直(N)于上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112的第一平面191之间形成的角度(θ3)以及沿管道轴线的通路长度(PF)的投影(L)之类的其它已知参数的函数来确定：
。
由第一超声换能器130所生成的主要超声信号在形成通过流体的第三主要超声通路(PF)153之前形成通过上游超声楔100的长度(A)的第一主要超声通路(PW1)151以及通过具有壁厚(WT)的上管道壁30的第二主要超声通路(PWL1)152。类似地，在经过流体之后，由第一超声换能器130所生成的主要超声信号在由第二超声换能器230接收之前形成通过具有壁厚(WT)的下管道壁32的第四主要超声通路(PWL2)154以及通过下游超声楔210的主要超声通路(PW2)155。
在一个实施例中，超声楔110、210由具有温度相关的声速的塑料(例如聚醚酰亚胺(ULTEM)、聚酰胺-酰亚胺(TORLON)、聚酰亚胺(VESPEL)、聚醚醚酮(PEEK))来制成。例如，塑性材料的声速对于温度的每1℃的增加可能降低大约0.5至1.0 m/s，使得户外超声流量计的基于季节或每日温度变化的温度的10℃的增加可能引起通过超声楔110的声速的5.0至10.0 m/s的降低。
如图1和图2所示，在一个实施例中，来自第一超声换能器130的经过上游超声楔110的主要超声信号在上游超声楔110和上管道壁30的第一界面141处折射到上管道壁30中。类似地，经过上管道壁30的主要超声信号在上管道壁30和流体的第二界面142处折射到流体中。当主要超声信号经过两种不同材料的界面时，其角度和速度基于入射角、折射角和对象的材料的声速按照斯涅耳(Snell)定律所给出的关系发生变化：
c1=上游超声楔110中的声速；
c2=上管道壁30中的声速；
c3=流体中的声速；
θ1=通过上游超声楔110的第一主要超声通路(PW1)151与垂直(N)于上流超声楔110的测试对象界面(底)壁112的第一平面191之间形成的第一角度；
θ2=通过上管道壁30的第二主要超声通路(PWL1)152与垂直(N)于上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112的第一平面191之间的第一界面141处形成的第二角度；以及
θ3=通过流体的第三主要超声通路(PF)153与垂直(N)于上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112的第一平面191之间的第二界面142处形成的第三角度。
如图1中能够看到，从第一超声换能器130到第二超声换能器230的总飞越时间(TTOTAL)能够通过下式来确定：
其中
TW1=通过上游超声楔110的飞越时间；
TWL1=通过上管道壁30的飞越时间；
TF=通过流体的飞越时间；
TWL2=通过下管道壁32的飞越时间；以及
TW2=通过下游超声楔210的飞越时间。
等式(5)和(6)证明，准确地确定通过流体的飞越时间(TF)要求准确地计算通过超声楔110、210的飞越时间(TW1, TW2)，这要求准确地了解通过超声楔110、210的声速(c1)。如果对超声楔110、210所取的声速不正确(例如，如果声速与基于超声楔110、210的温度的额定声速不同)，则通过流体的飞越时间(TF)和相关流率的确定将是不准确的。例如，如果所测量的总飞越时间(TTOTAL)因为通过较高温度超声楔110、210的实际飞越时间比所计算的要长而增加，并且没有对用于计算通过超声楔110、210的飞越时间(TW1, TW2)的超声楔110、210的额定声速进行校正，则超声流量计100将不正确地确定通过流体的飞越时间(TF)也增加，从而导致不准确的流率。
为了示出塑料超声楔的温度相关性所需的声速的校正，假定已知或测量如下参数：
A=通过上游超声楔110的通路长度=20 mm；
B=通过上游超声楔的反射通路长度(B)=40 mm；
WT=上和下管道壁30、32的壁厚=3.9 mm；
D=管道20的内径=52 mm；
c1=在25℃流超声楔110中的额定声速=2400 m/s；
c2=在25℃管道壁30中的声速=3230 m/s；
θ1=第一角度=42°；以及
TTOTAL=61.25 μs。
通过上游超声楔110的飞越时间(TW1)能够作为上游超声楔110中的声速(c1)的函数来确定：
基于等式(4)，θ2也能够作为上游超声楔110中的声速(c1)的函数来确定：
通过上管道壁的飞越时间(TWL1)能够计算为作为上游超声楔110中的声速(c1)的函数来确定的θ2的函数：
使用等式(6)，流体的飞越时间(TF)能够计算为：
使用等式(4)，流体中的声速(c3)与θ3的比率能够计算为：
等式(10)和(11)的结果允许迭代以确定c3和θ3的值，然后在等式(1)至(3)中将其用于计算流体的通路速度(Vp)：
c3=流体中的声速=1469 m/s；以及
θ3=通过流体的主要超声通路153与垂直(N)于上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112的第一平面191之间形成的第三角度=24.2°。
如这个示例中所示，如果上游超声楔110中的额定声速c1的所取值在25℃下为2400 m/s，与工作在不同温度的上游超声楔110中的实际声速不匹配，则流体的通路速度(Vp)的计算将是不正确的，因为它将基于例如TW1、c3和θ3的不正确值。不是依靠上游超声楔110中的额定声速，本发明的上游超声楔110而是允许实时地确定超声楔中的声速。如图1和图2所示并且如将进行说明，上游超声楔110包括允许确定上游超声楔110中的实际声速c1A的反射壁120、124。
在一个实施例中，上游超声楔110具有换能器界面壁102(具有第一端101和第二端103)、顶壁106(具有第一端105和第二端107)、平面反射壁120(具有第一端119和第二端121)、侧壁116(具有第一端115和第二端117)以及测试对象界面(底)壁112(具有第一端111和第二端113)。换能器界面壁102的第一端101接近测试对象界面(底)壁112的第一端111。换能器界面壁102的第二端103接近顶壁106的第一端105。顶壁106的第二端107接近平面反射壁120的第一端119。平面反射壁120的第二端121接近侧壁116的第一端115。侧壁116的第二端117接近测试对象界面(底)壁112的第二端113。将会理解，上游超声楔110能够具有不同的配置，包括位于换能器界面壁102的第一端101与测试对象界面(底)壁112的第一端111之间的附加侧壁104。另外，测试对象界面(底)壁112能够是上游超声楔110的基础结构的一部分。
在一个实施例中，第一超声换能器130安装在换能器界面壁102上，并且将主要超声信号传送到上游超声楔110中，其中主要超声信号在通过上游超声楔110的长度A(例如20 mm)的第一主要超声通路151(PW1)上沿第一方向181传播到测试对象界面(底)壁112。换能器界面壁102定向成使得第一主要超声通路151(PW1)形成与垂直(N)于测试对象界面(底)壁112的第一平面191的第一角度(θ1)。测试对象界面(底)壁112耦合到上管道壁30。
主要超声信号的一部分(例如10%或更少)从上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112被反射。反射超声信号在长度B(例如40 mm)的反射超声通路161(PB)上沿第二方向182离开测试对象界面(底)壁112传播。反射超声通路161(PB)形成与垂直(N)于测试对象界面(底)壁112的第一平面191的反射角(θR)，其中反射角(θR)等于第一角度(θ1)。
反射超声信号然后从上游超声楔110的平面反射壁120被反射。反射超声信号在长度B的反射超声通路161(PB)上沿第三方向183传播到测试对象界面(底)壁112，其中第三方向183与第二方向182相反。如图1和图2所示，平面反射壁120位于顶壁106与侧壁116之间，并且形成与反射超声通路161(PB)垂直的反射平面122。平面反射壁120定向成使得垂直(N)于平面反射壁120的第二平面192形成与垂直(N)于测试对象界面(底)壁112的第一平面191的反射角(θR)，其中反射角(θR)等于第一角度(θ1)。
在一个实施例中，常规矩形超声楔能够使其顶角被去除或研磨以形成平面反射壁120。在如图2所示的一个备选实施例中，弯曲反射壁124能够用于以角扩展来反射超声信号。
反射超声信号则再次从上游超声楔110的测试对象界面(底)壁112被反射。反射超声信号在返回到第一超声换能器130之前在长度A的第一主要超声通路151(PW1)上沿第四方向184离开对象测试界面(底)壁112传播，其中第四方向184与第一方向181相反。
超声流量计100能够测量通过上游超声楔110的主要超声信号的总飞越时间(例如TCORR = 50.21 μs)，并且通过将所传播的总距离除以所测量的飞越时间来确定上游超声楔110中的实际声速(c1A)(它比额定声速要慢)：
通过上游超声楔110的主要超声信号的实际飞越时间(TW1A)(它比基于额定声速所确定的飞越时间要长)则能够使用超声通路的长度(A、B)的比率来确定：
在当前温度下的上游超声楔110中的更短实际声速(c1A)和更长实际飞越时间(TW1A)则能够用于使用上述等式(1)至(11)来确定准确的流率。
图3是用于确定上述超声楔中的声速的示范方法300的流程图。在步骤310，主要超声信号从超声换能器传送到超声楔中。在步骤320，主要超声信号的一部分通过超声楔反射回超声换能器。在步骤330，测量超声楔中的主要超声信号和反射超声信号的飞越时间。在步骤340，超声楔的声速基于超声楔中的主要超声信号和反射超声信号的飞越时间和所传播的距离来确定。在步骤350，超声楔中的主要超声信号的飞越时间基于超声楔的声速和超声楔中的主要超声信号所传播的距离来确定。
本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，以及还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等同结构要素，则预计它们落入权利要求的范围之内。
附图标记说明
10 流动方向
20 管道
30 上管道壁
32 下管道壁
100 超声流量计
101 第一端
102 换能器界面壁
103 第二端
105 第一端
106 顶壁
107 第二端
111 第一端
112 测试对象界面(底)壁
113 第二端
115 第一端
116 侧壁
117 第二端
119 第一端
120 反射壁
121 第二端
122 反射平面
124 弯曲反射壁
130 第一超声换能器
141 第一界面(上游超声楔110和上管道壁30)
142 第二界面(上管道壁30和流体)
151 第一主要超声通路(上游超声楔130)
152 第二主要超声通路(上管道壁30)
153 第三主要超声通路(流体)
154 主要超声通路(下管道壁32)
155 主要超声通路(下游超声楔210)
161 反射超声通路(通路B)
191 垂直(N)于测试对象界面(底)壁112的第一平面
192 垂直(N)于平面反射壁120的第二平面
210 下游超声楔
230 下游超声换能器
300 方法
310 传送步骤
320 反射步骤
330 测量步骤
340 确定步骤
350 确定步骤。
Claims (10)
1. 一种用于把来自超声换能器的超声信号耦合到测试对象的楔，所述楔包括：
测试对象界面壁，配置用于将所述超声信号耦合到所述测试对象，第一平面垂直于所述测试对象界面壁而延伸；
换能器界面壁，配置用于将所述超声换能器安装到所述楔，所述换能器界面壁定向成使得从所述超声换能器所传送的主要超声信号形成相对于所述第一平面的第一角度，并且以相对于所述第一平面的反射角来反射所述主要超声信号的一部分，其中所述第一角度等于所述反射角；以及
反射壁，定向成使得垂直于所述反射壁的第二平面形成与所述第一平面的第二角度，其中所述第二角度等于所述第一角度，并且其中所反射超声信号垂直于所述反射壁。
2. 如权利要求1所述的楔，其中，所述反射壁是平面的。
3. 如权利要求1所述的楔，其中，所述反射壁是弯曲的。
4. 如权利要求1所述的楔，还包括：
顶壁，以及
第一侧壁，
其中所述换能器界面壁的第一端接近所述测试对象界面壁的第一端，所述换能器界面壁的第二端接近所述顶壁的第一端，所述顶壁的第二端接近所述反射壁的第一端，所述反射壁的第二端接近所述侧壁的第一端，并且所述侧壁的第二端接近所述测试对象界面壁的第二端。
5. 如权利要求4所述的楔，还包括与所述第一侧壁相对的第二侧壁，其中所述第二侧壁处于所述换能器界面壁与所述测试对象界面壁之间。
6. 如权利要求1所述的楔，其中，所述楔包括塑料，其中所述塑料中的声速是温度相关的。
7. 如权利要求6所述的楔，其中，所述塑料是聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮中之一。
8. 一种用于把来自超声换能器的超声信号耦合到测试对象的楔，所述楔包括：
测试对象界面壁，配置用于将所述超声信号耦合到所述测试对象，第一平面垂直于所述测试对象界面壁而延伸；
换能器界面壁，配置用于将所述超声换能器安装到所述楔，所述换能器界面壁定向成使得从所述超声换能器所传送的主要超声信号形成相对于所述第一平面的第一角度，并且以相对于所述第一平面的反射角来反射所述主要超声信号的一部分，其中所述第一角度等于所述反射角；以及
反射壁，定向成使得垂直于所述反射壁的第二平面形成与所述第一平面的第二角度，其中所述第二角度等于所述第一角度，并且其中所反射超声信号垂直于所述反射壁；
顶壁，以及
第一侧壁，
其中所述换能器界面壁的第一端接近所述测试对象界面壁的第一端，所述换能器界面壁的第二端接近所述顶壁的第一端，所述顶壁的第二端接近所述反射壁的第一端，所述反射壁的第二端接近所述侧壁的第一端，并且所述侧壁的第二端接近所述测试对象界面壁的第二端。
9. 如权利要求8所述的楔，其中，所述反射壁是平面的。
10. 如权利要求8所述的楔，其中，所述反射壁是弯曲的。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US13/552,208 | 2012-07-18 | ||
| US13/552,208 US20140020478A1 (en) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | Ultrasonic wedge and method for determining the speed of sound in same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103575378A true CN103575378A (zh) | 2014-02-12 |
Family
ID=48793081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310302256.3A Pending CN103575378A (zh) | 2012-07-18 | 2013-07-18 | 超声楔以及用于确定其中的声速的方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20140020478A1 (zh) |
| EP (1) | EP2687828A1 (zh) |
| JP (1) | JP2014021116A (zh) |
| CN (1) | CN103575378A (zh) |
| RU (1) | RU2013133081A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106092230A (zh) * | 2016-06-17 | 2016-11-09 | 济南新盛电子科技有限公司 | 一种双声程换能器超声波燃气表 |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015130662A1 (en) * | 2014-02-26 | 2015-09-03 | Rensselaer Polytechnic Institute | Method and apparatus for acoustical power transfer and communication using steel wedges |
| US10395785B2 (en) | 2014-05-19 | 2019-08-27 | Nuscale Power, Llc | Transportable monitoring system |
| US9945704B2 (en) * | 2014-07-07 | 2018-04-17 | Nuscale Power, Llc | Flow rate measurement in a volume |
| KR101619916B1 (ko) * | 2014-10-02 | 2016-05-12 | 숭실대학교산학협력단 | 초음파 트랜스듀서를 이용한 유량 측정 장치 |
| DE102015100670A1 (de) * | 2015-01-19 | 2016-07-21 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik |
| WO2017022937A1 (ko) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 엘지전자 주식회사 | 단말-특정 다이나믹 tdd 프레임을 이용하여 통신을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치 |
| DK3734236T3 (da) * | 2016-07-13 | 2023-08-21 | Gwf Messsysteme Ag | Flowmåler med en målekanal |
| US11745190B2 (en) | 2019-01-23 | 2023-09-05 | Omachron Intellectual Property Inc. | Surface cleaning apparatus |
| EP3470775B1 (de) | 2017-10-11 | 2022-12-14 | Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH | Verfahren und messanordnung zur messung von schichtdicke und schallwellengeschwindigkeit in ein- oder mehrlagigen proben mittels ultraschall ohne a-priori kenntnis der jeweils anderen grösse |
| US11231311B2 (en) | 2019-05-31 | 2022-01-25 | Perceptive Sensor Technologies Llc | Non-linear ultrasound method and apparatus for quantitative detection of materials |
| US11729537B2 (en) | 2020-12-02 | 2023-08-15 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Variable angle transducer interface block |
| EP4256283A4 (en) | 2020-12-04 | 2025-02-26 | Perceptive Sensor Tech Inc | APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING OBJECTS AND ACTIVITY INSIDE A CONTAINER |
| WO2022120265A1 (en) | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | In-wall multi-bounce material property detection and acoustic signal amplification |
| WO2022120257A1 (en) | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Systems and methods for determining floating roof level tilt and characterizing runoff |
| CA3201085A1 (en) | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Lazar Bivolarsky | Acoustic temperature measurement in layered environments |
| US11585690B2 (en) | 2020-12-04 | 2023-02-21 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Multi-path acoustic signal improvement for material detection |
| EP4256282A4 (en) | 2020-12-04 | 2025-02-26 | Perceptive Sensor Tech Inc | MULTIPLE BOUNCE ACOUSTIC SIGNAL MATERIAL DETECTION |
| US11604294B2 (en) | 2020-12-04 | 2023-03-14 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Determining layer characteristics in multi-layered environments |
| US11788904B2 (en) | 2020-12-04 | 2023-10-17 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Acoustic temperature measurement in layered environments |
| WO2022147234A1 (en) | 2020-12-30 | 2022-07-07 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Evaluation of fluid quality with signals |
| US11860014B2 (en) | 2022-02-11 | 2024-01-02 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Acoustic signal detection of material composition in static and dynamic conditions |
| WO2024091308A1 (en) | 2022-07-19 | 2024-05-02 | Perceptive Sensor Technologies, Inc. | Acoustic signal material identification with nanotube couplant |
| CN115493662B (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-03 | 成都流体动力创新中心 | 航空航天用一体化超声波流量计及系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3837218A (en) * | 1971-09-24 | 1974-09-24 | Centre Techn Ind Mecanique | Process for non-destructive measurement of the extent to which a surface layer of a material has been affected by a superficial treatment |
| US4373401A (en) * | 1980-05-05 | 1983-02-15 | Joseph Baumoel | Transducer structure and mounting arrangement for transducer structure for clamp-on ultrasonic flowmeters |
| US5280728A (en) * | 1990-11-05 | 1994-01-25 | Tokimec Inc. | Ultrasonic flow velocity measurement method and apparatus thereof |
| DE102007062913A1 (de) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr |
| US20090266165A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-10-29 | Battelle Memorial Institute | Self-calibrating method for measuring the density and velocity of sound from two reflections of ultrasound at a solid-liquid interface |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4930358A (en) * | 1987-03-27 | 1990-06-05 | Tokyo Keiki Co., Ltd. | Method of and apparatus for measuring flow velocity by using ultrasonic waves |
| JPH06103206B2 (ja) * | 1987-06-03 | 1994-12-14 | 株式会社トキメック | 超音波流速測定方法およびその装置 |
| JP2693000B2 (ja) * | 1990-01-11 | 1997-12-17 | 株式会社トキメック | 超音波送受波器 |
| JPH06147946A (ja) * | 1992-11-12 | 1994-05-27 | Fuji Electric Co Ltd | 超音波流量計 |
| JP2000193674A (ja) * | 1998-12-28 | 2000-07-14 | Ueda Japan Radio Co Ltd | 斜角式超音波センサ、それを用いた超音波流速測定装置、及び流速測定方法 |
| US20070000328A1 (en) * | 2005-01-06 | 2007-01-04 | Jonathan Buttram | Ultrasonic method for the accurate measurement of crack height in dissimilar metal welds using phased array |
-
2012
- 2012-07-18 US US13/552,208 patent/US20140020478A1/en not_active Abandoned
-
2013
- 2013-07-16 JP JP2013147182A patent/JP2014021116A/ja active Pending
- 2013-07-17 EP EP13176806.1A patent/EP2687828A1/en not_active Withdrawn
- 2013-07-17 RU RU2013133081/28A patent/RU2013133081A/ru unknown
- 2013-07-18 CN CN201310302256.3A patent/CN103575378A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3837218A (en) * | 1971-09-24 | 1974-09-24 | Centre Techn Ind Mecanique | Process for non-destructive measurement of the extent to which a surface layer of a material has been affected by a superficial treatment |
| US4373401A (en) * | 1980-05-05 | 1983-02-15 | Joseph Baumoel | Transducer structure and mounting arrangement for transducer structure for clamp-on ultrasonic flowmeters |
| US5280728A (en) * | 1990-11-05 | 1994-01-25 | Tokimec Inc. | Ultrasonic flow velocity measurement method and apparatus thereof |
| DE102007062913A1 (de) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr |
| US20090266165A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-10-29 | Battelle Memorial Institute | Self-calibrating method for measuring the density and velocity of sound from two reflections of ultrasound at a solid-liquid interface |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106092230A (zh) * | 2016-06-17 | 2016-11-09 | 济南新盛电子科技有限公司 | 一种双声程换能器超声波燃气表 |
| CN106092230B (zh) * | 2016-06-17 | 2022-04-08 | 济南新盛电子科技有限公司 | 一种双声程换能器超声波燃气表 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2687828A1 (en) | 2014-01-22 |
| US20140020478A1 (en) | 2014-01-23 |
| JP2014021116A (ja) | 2014-02-03 |
| RU2013133081A (ru) | 2015-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103575378A (zh) | 超声楔以及用于确定其中的声速的方法 | |
| US7152490B1 (en) | Methods for determining transducer delay time and transducer separation in ultrasonic flow meters | |
| US9528866B2 (en) | Ultrasonic flow measuring device having a signal path of multiple straight subsection having a minimum separation in the range of 0.4-0.6r from the tube axis | |
| US8181536B2 (en) | Ultrasonic Flow Meter including a transducer having conical face | |
| US8635913B2 (en) | Ultrasonic coupler assembly | |
| CN103547892B (zh) | 超声波流量计 | |
| JP2008134267A (ja) | 超音波流量測定方法 | |
| US9140594B2 (en) | Ultrasonic, flow measuring device | |
| RU2612727C2 (ru) | Устройство для согласования ультразвуковых сигналов | |
| CN100414261C (zh) | 用于确定和/或监控介质的体积流量和/或质量流量的设备 | |
| RU2637381C2 (ru) | Ультразвуковой волновод | |
| CN102914333B (zh) | 利用超声波检测流量的检测方法 | |
| CN102829829A (zh) | 一种时差法超声波流量检测方法及装置 | |
| CN102829830A (zh) | 用于超声波流量检测中检测超声波传播速度的方法及装置 | |
| EP2657658B1 (en) | Ultrasonic flow measurement system | |
| KR101022407B1 (ko) | 건식 초음파 유량계 | |
| CN116256015A (zh) | 一种超声波巷道、管道流速流量测量实时自校准方法 | |
| CN111473827B (zh) | V形声道零飘消除方法 | |
| CN207215202U (zh) | 一种超声流量计 | |
| KR101119998B1 (ko) | 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 | |
| JP2008014833A (ja) | 超音波流量計 | |
| KR101043344B1 (ko) | 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 제조방법 | |
| JPH11271118A (ja) | 超音波流量計 | |
| JP2004045425A (ja) | 流量計測装置 | |
| CN202710117U (zh) | 一种时差法超声波流量检测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140212 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |